Penyelidikan PolyU Dedahkan Persepsi Mekanikal-Elektrik dalam Duri Landak Laut, Pacu Sensor Biomimetik Generasi Baharu
Duri landak laut bukan sekadar alat pertahanan—ia juga berfungsi sebagai sensor semula jadi yang canggih. Satu pasukan penyelidik dari The Hong Kong Polytechnic University (PolyU), bersama pakar dari City University of Hong Kong (CityU) dan Huazhong University of Science and Technology (HUST), telah menemui persepsi mekanikal-elektrik dalam duri landak laut, yang berasal daripada struktur berliang bergradien mereka, membolehkan duri mengesan aliran air dengan serta-merta.
Penemuan Struktur Berliang yang Unik
Penyelidikan yang diketuai oleh Profesor Wang Zuankai dari PolyU mendedahkan bahawa dalam spesies landak laut berduri panjang (Diadema setosum), apabila titisan air laut menghentam hujung duri, duri tersebut berputar dengan pantas dalam masa kurang daripada satu saat. Pengukuran elektrik menunjukkan bahawa simulasi titisan menghasilkan voltan kira-kira 100 milivolt di dalam duri, manakala rangsangan aliran air dalam air mencetuskan voltan beberapa puluh milivolt.
Menariknya, persepsi mekanikal-elektrik ini masih dapat diperhatikan dalam duri yang telah mati, menunjukkan bahawa mekanisme ini tidak berkaitan dengan sel biologi. Sebaliknya, respons ini berasal daripada struktur stereom duri—rangka dalaman berliang yang terdiri daripada liang dengan saiz dan taburan yang berbeza-beza.
Pembangunan Sensor Biomimetik Melalui Percetakan 3D
Dengan menggunakan teknologi percetakan 3D fotopolimerisasi vat, pasukan penyelidik telah mencipta sampel tiruan daripada bahan polimer dan seramik yang menyerupai stereom duri landak laut. Eksperimen membuktikan bahawa reka bentuk meniru duri menghasilkan output voltan kira-kira tiga kali lebih tinggi dan amplitud lapan kali lebih besar berbanding reka bentuk tanpa gradien di bawah rangsangan aliran air.
Ini menunjukkan bahawa kunci kepada persepsi mekanikal-elektrik terletak pada struktur, bukan bahan. Pasukan itu juga membina mekanoreseptor metamaterial 3D biomimetik dalam tatasusun 3 × 3, dengan setiap unit diperbuat daripada bahan berliang bergradien. Mekanoreseptor ini dapat merakam isyarat elektrik secara masa nyata di bawah air dan menentukan kedudukan impak aliran air dengan tepat, tanpa memerlukan bekalan elektrik tambahan.
Aplikasi Potensi dalam Pelbagai Bidang
Profesor Wang Zuankai berkata, "Berbanding mekanoreseptor tradisional, reka bentuk kami unggul dalam kebolehpengilangan, fleksibiliti reka bentuk struktur, kepelbagaian bahan, kawalan geometri dan prestasi, serta penderiaan diri bawah air masa nyata."
Dengan memanfaatkan gradien bahan berliang dan teknologi percetakan 3D, pasukan bercita-cita untuk menghasilkan lebih banyak sensor metamaterial terinspirasi alam semula jadi yang boleh digunakan dalam pelbagai bidang. Ini termasuk teknologi laut dalam seperti pemantauan marin dan pengurusan infrastruktur bawah air, serta bidang baru seperti antara muka otak-komputer dan aeroangkasa.
Kesan terhadap Penyelidikan Terinspirasi Alam Semula Jadi
Profesor Wang menekankan bahawa penemuan ini membuka laluan baharu dalam pembangunan bahan terinspirasi alam semula jadi. "Untuk bahan berliang semula jadi, sifat mekanikal seperti kekuatan mungkin bukan fungsi utama, tetapi hasil sampingan biomineralisasi kompleks. Mendedahkan mekanisme yang sebelum ini tidak diketahui membantu kita memahami dan menggunakan sumber semula jadi ini dengan lebih menyeluruh," tambahnya.
Penyelidikan bersama ini turut diketuai oleh Profesor Lu Jian dari CityU, serta Profesor Yan Chunze dan Profesor Su Bin dari HUST. Hasil kajian telah diterbitkan dalam jurnal antarabangsa Nature, menandakan sumbangan penting kepada sains kejuruteraan dan teknologi penderiaan global.
