Шипы морских ежей послужили источником вдохновения для разработки автономных подводных датчиков

Согласно новому исследованию, опубликованному 25 февраля в научном журнале Nature, микроструктура шипов морских ежей послужила основой для разработки нового класса автономных подводных датчиков. Команда ученых (А. Чен, З. Ван, П. Гилберт и др.) обнаружила у этих иглокожих ранее неизвестный механизм механоэлектрического восприятия, позволяющий преобразовывать кинетическую энергию морских течений в электрические сигналы.

Исследователи сосредоточилось на виде Diadema setosum. Поскольку у морских ежей отсутствуют специализированные сенсорные органы, учёные предположили, что функцию восприятия среды могут выполнять сами шипы. В лабораторных экспериментах с живыми и препарированными особями шип поворачивался примерно на десять градусов менее чем за секунду в ответ на поток воды, а датчики, прикреплённые к двум точкам вдоль шипа, фиксировали импульсы напряжения. Поскольку сигнал возникал и у мёртвых экземпляров, исследователи исключили нервную ткань как источник эффекта — причина носит сугубо структурный характер.

Было установлено, что шипы морских ежей способны генерировать электрическое напряжение при омывании водой. Основой этого процесса является «стереом» — пористая костная структура, состоящая из сети взаимосвязанных распорок и отверстий с выраженным размерным градиентом ячеек. Внешняя часть шипа характеризуется меньшим диаметром пор и увеличенной удельной площадью поверхности. При гидродинамическом воздействии на границе твердой и жидкой фаз формируется высокая плотность заряда. Это приводит к возникновению потенциалов течения, которые трансформируют механические колебания воды в стабильный электрический импульс. Ранее в биологии считалось, что морские ежи реагируют исключительно на свет и прямой физический контакт, однако новые данные подтверждают их способность фиксировать изменения в окружающей гидродинамике.

Используя методы аддитивного производства (3D-печать), инженеры изготовили синтетические аналоги природного стереома. Были напечатаны полимерные и керамические метаматериалы, в точности воспроизводящие градиентную микроструктуру шипа. Лабораторные испытания зафиксировали рост эффективности: биомиметические датчики продемонстрировали трехкратное увеличение выходного напряжения по сравнению с контрольными образцами, имеющими однородную пористую структуру. Дифференциал амплитуды сигнала при прямом воздействии водного потока возрос в восемь раз.

В отличие от стандартных микрорешетчатых матриц, созданные трехмерные метаматериалы отличаются технологичностью производства и возможностью точной структурной настройки. Применение принципа работы стереома позволяет конструировать измерительные приборы, не зависящие от внешнего энергообеспечения.

Прототипы работают как пассивные гидродинамические рецепторы, генерирующие энергию для собственной работы. Разработка ориентирована на интеграцию в системы экологического мониторинга, автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА) и стационарные комплексы глубоководного слежения. Использование биомиметических сенсоров обеспечит непрерывный сбор данных о водной среде в режиме реального времени без установки крупногабаритных аккумуляторных блоков и сложной электроники.

Источник: phys.org