理大仿生傳感新突破 拆解海膽「機電感知」能力研製高效能水流傳感器

由香港理工大學、香港城市大學及華中科技大學學者組成的聯合研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔立體網狀骨架具有強大的機電感知能力，能迅速感應水流。團隊更利用3D打印技術，成功製造出仿生新材料傳感器，為傳感技術帶來重大突破。

由理大協理副校長（研究）、研究生院院長、郭氏集團仿生工程教授兼機械工程學系講座教授王鑽開教授帶領的研究團隊，首次發現海膽棘刺內部的梯度多孔結構具有強大機電感知能力，能在水流經過時產生電訊號，並利用3D打印技術製造仿生超材料傳感器。

研究團隊在刺冠海膽身上觀察到，當海水滴落在棘刺尖端時，棘刺會在一秒內迅速旋轉。電學測量發現，棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓；水流刺激也能產生約數十毫伏的電壓。這種機電感知能力在已死亡的棘刺中依然存在，證明相關機制與生物細胞無關。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

這種反應源自棘刺內部的雙連續梯度多孔立體網狀骨架。該骨架由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化：基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。當水流經此多孔結構時，流液界面發生相互作用，流動液體對雙電層產生剪切作用，誘導界面電荷的分離和重新排佈，從而產生電壓差。梯度結構會令水流與孔壁的碰撞更劇烈，使電壓差更強，從而提升感知能力。

團隊觀察到，當海水滴落在海膽棘刺尖端時，棘刺會迅速旋轉。他們利用電學測量，發現棘刺受水滴刺激後，內部會產生約百毫伏電壓。

受此發現啟發，研究團隊利用光固化3D打印技術，以高分子聚合物和陶瓷製作出模仿棘刺結構的樣本。實驗證實，在水流刺激下，仿生梯度設計相較一般非梯度設計，電壓輸出高約三倍，訊號振幅更增約八倍，顯示機電感知能力的關鍵在於結構而非材料。

團隊更構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用梯度多孔結構。該傳感器無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。研究指出，海膽棘刺的梯度多孔結構強化了訊號傳遞，提升了傳感器的精準度及靈敏度。

這種強大的機電感知機制可以複製至不同材料，並有望延伸至感測水流以外的各種訊號，包括壓力、震動、電波等，啟發其他領域的傳感技術。例如在腦機接口中，可用以增強腦電波及神經訊號的傳遞。

海膽棘刺的機電感知能力源自其內部獨特的雙連續梯度多孔立體網狀骨架：由大小不一的孔洞組成，並沿棘刺的基部到尖端逐漸變化，基部孔洞較大、固體密度較低，尖端孔洞較小、固體密度較高。

領導研究的理大協理副校長（研究）、研究生院長王鑽開表示，相比傳統機械傳感器，團隊設計的仿生超材料傳感器在可生產性、結構設計可能性、材料通用性、幾何與性能控制能力及水下自我感測時間差能力等方面均更勝一籌。

研究團隊構建了一款3 × 3陣列仿生3D超材料機械傳感器，各組件均採用了仿海膽棘刺的梯度多孔結構，無需額外電源，即可在水下即時記錄電訊號，並精準定位水流衝擊位置。

王鑽開期望結合多孔結構的梯度與3D打印技術，以不同材料、孔徑及表面特徵來製造更多仿生超材料傳感器，在更多領域發揮應用潛力。他亦指出，對於天然多孔材料而言，強度等力學性能或許並非其核心功能，深入探索這些鮮為人知的生物機制，對推動仿生研究發展具有至關重要的意義。
 
此項聯合研究已刊登於國際頂尖學術期刊《自然》上。

由香港理工大學、西安交通大學、國家電網有限公司及香港電燈有限公司合辦的「一帶一路電力及能源高級研討項目2026」已圓滿結束。今年適逢項目邁入第九年，作為能源領域國際合作與知識交流的重要平台，該項目持續促進「一帶一路」沿線國家及地區電力行業的長期合作。

主題緊扣AI與碳中和趨勢

本屆項目以「人工智能賦能新型電力系統」為主題，緊扣全球邁向碳中和及可持續發展的趨勢，並兼顧能源安全與環境責任。項目共吸引45位來自「一帶一路」國家及地區的業界專業人士和學者參加，人數創歷年新高。學員來源廣泛，包括中國（內地、香港及澳門）、阿根廷、巴西、智利、印尼、菲律賓、俄羅斯、南非及阿聯酋。

結業禮獲本地及國際嘉賓支持

項目結業禮由理大工程學院院長文効忠教授、港燈董事總經理鄭祖瀛先生、國家電網駐香港辦事處首席代表歐曉明先生、國家電網技術學院副院長楊軍虎先生，以及西安交大電信學部黨委書記梁莉女士主禮。典禮亦獲多位本地及國際嘉賓出席支持，包括中聯辦經濟部代表、香港特區政府機電工程署署長潘國英先生、香港工程師學會代表、智利及印尼駐香港總領事館官員等，體現項目獲廣泛認可，並突顯其在促進能源領域跨境合作方面的重要作用。

主辦方：AI是能源管理基石 推動數智化合作

理大工程學院院長文効忠教授表示，人工智能與電力系統的協同作用是下一代能源管理的基石，理大致力於開拓創新解決方案，以構建可持續、由人工智能驅動的能源未來。國家電網駐香港辦事處首席代表歐曉明先生則期望平台能持續發展，成為各國電力能源高級管理人員及科研人員交流的重要渠道，讓「數智化」成為「一帶一路」合作的鮮明特色。

西安交大電信學部黨委書記梁莉女士指出，人工智能在新型電力系統中正發揮日益重要的作用，推動可再生能源深度融合、智能調度及系統優化。港燈董事總經理鄭祖瀛先生強調，確保供電可靠是港燈的重中之重，2025年供電可靠度再次錄得超過99.9999%的世界級水平。他透露，透過善用人工智能、數據分析等技術，公司正推動更具預測性及前瞻性的維修和管理模式，以提升安全及可靠性。

學術亮點與技術應用展示

隨着人工智能高速發展，電力系統的分析與管理模式正經歷根本性轉變。今年項目的學術亮點包括理大電機及電子工程學系許昭教授及卜思齊教授分別以「人工智能賦能現代電力系統演進」及「人工智能助力安全運作」為題的專題講座，展示了對新型電力系統經濟運行至關重要的高端數據驅動評估及調節技術。

針對香港地理環境受限、人口稠密的特點，港燈輸配電科團隊近年引入人工智能分析技術，應用於智能配電電纜診斷及在配電變電站採用三維地理資訊系統數碼孿生技術。憑藉自家研發的人工智能模型，工程師能更精準地識別高風險電纜，實現預防性維修，確保供電維持極高穩定性。

學員參觀區內先進能源設施

學員亦透過實地參觀考察，深入瞭解區內最先進的能源設施，包括港燈南丫發電廠、系統控制中心及智能狀態監測中心；理大太陽能發電性能與管理系統；國家電網山東省電力航天技術工程研究中心；以及西安交大電工材料電氣絕緣全國重點實驗室。

項目自2018年啟動以來，累計已吸引來自44個「一帶一路」國家及地區的900多名業界專業人士參與，促成超過10,000小時的知識交流。作為中國內地與香港首個同類校企合作項目，它已成為全球電力與能源領域能力建設的領先平台，致力培養推動世界邁向低碳未來所需的人才。

港燈董事總經理鄭祖瀛先生於結業典禮上致勉辭。

本屆項目以「人工智能賦能新型電力系統」為主題，契合全球邁向碳中和及可持續發展的趨勢，並兼顧能源安全與環境責任。

來自 11 個「一帶一路」沿線國家及地區的 45 名學員，出席「一帶一路電力及能源高級研討項目2026」的結業典禮。

理大工程學院院長文効忠教授在結業典禮上致歡迎辭。