HONG KONG SAR – Media OutReach Newswire – Duri landak laut tidak hanya berfungsi untuk pertahanan—mereka juga bertindak sebagai sensor alami. Tim peneliti yang dipimpin oleh Prof. WANG Zuankai, Wakil Rektor (Penelitian dan Inovasi), Dekan Graduate School, Kuok Group Professor dalam Nature-Inspired Engineering, dan Chair Professor Departemen Teknik Mesin di The Hong Kong Polytechnic University (PolyU), bekerja sama dengan para akademisi dari City University of Hong Kong (CityU) dan Huazhong University of Science and Technology (HUST), menemukan persepsi mechanoelektrik pada duri landak laut yang berasal dari struktur berpori gradien mereka, memungkinkan duri tersebut mendeteksi aliran air secara instan. Dengan menggunakan teknologi cetak 3D, tim ini meniru struktur tersebut dan mengembangkan sensor metamaterial bionik, yang menjanjikan terobosan dalam teknologi sensor. Inovasi ini diharapkan mendorong kemajuan teknologi laut dalam seperti pemantauan kelautan dan pengelolaan infrastruktur bawah air, serta dapat diperluas ke bidang baru lainnya seperti antarmuka otak-komputer dan dirgantara.
Tim peneliti menemukan bahwa pada landak laut berduri panjang (Diadema setosum), saat setetes air laut mengenai ujung duri, duri tersebut berputar dengan cepat dalam waktu satu detik. Pengukuran listrik menunjukkan bahwa simulasi tetesan air menghasilkan tegangan sekitar 100 millivolt di dalam duri; saat duri direndam dalam air, stimulasi aliran air memicu tegangan beberapa puluh millivolt. Persepsi mechanoelektrik ini bahkan diamati pada duri yang mati, menunjukkan bahwa mekanismenya tidak terkait dengan sel biologis.
Respons ini berasal dari struktur stereom duri—kerangka internal berpori yang tersusun dari pori-pori dengan ukuran dan distribusi yang bervariasi. Pori-pori ini menunjukkan gradien bertahap sepanjang duri dari pangkal hingga ujung: pori lebih besar dan kepadatan padat lebih rendah di pangkal, serta pori lebih kecil dan kepadatan padat lebih tinggi di ujung, membentuk struktur berpori gradien bicontinuous. Saat air mengalir melalui struktur berpori, terjadi interaksi antar muka padat-cair dan aliran memberikan gaya geser pada lapisan ganda listrik, memicu pemisahan dan redistribusi muatan antarmuka yang menghasilkan beda tegangan. Struktur gradien memperkuat interaksi antara aliran air dan permukaan pori, sehingga menghasilkan beda tegangan lebih kuat dan meningkatkan kemampuan sensor duri.
Terinspirasi oleh temuan ini, para peneliti menggunakan vat photopolymerisation 3D printing untuk membuat sampel buatan dari material polimer dan keramik yang menyerupai stereom duri. Eksperimen menunjukkan bahwa desain tiruan duri menghasilkan keluaran tegangan sekitar tiga kali lebih tinggi dan amplitudo sekitar delapan kali lebih besar dibanding desain tanpa gradien di bawah stimulasi aliran air, membuktikan bahwa kunci persepsi mechanoelektrik terletak pada struktur, bukan material. Mereka juga membangun mechanoreceptor metamaterial bionik 3D yang dirancang dalam susunan 3 × 3 dengan setiap unit terbuat dari material berpori gradien. Mechanoreceptor ini dapat merekam sinyal listrik secara real-time di bawah air dan menentukan lokasi tepat dari dampak aliran air, tanpa membutuhkan listrik tambahan.
Tim peneliti menekankan bahwa struktur berpori gradien pada duri landak laut meningkatkan transmisi sinyal, sehingga meningkatkan presisi dan sensitivitas mekanoreceptor. Dengan meniru struktur ini pada berbagai material, aplikasi sensor dapat diperluas melampaui pendeteksian aliran air ke berbagai jenis sinyal, termasuk pengukuran tekanan, getaran, dan gelombang elektromagnetik. Penemuan ini akan menginspirasi teknologi sensor di berbagai bidang, seperti antarmuka otak-komputer untuk meningkatkan deteksi gelombang otak dan sinyal saraf, dengan potensi aplikasi yang sangat besar.
“Dibandingkan dengan mekanoreceptor tradisional, desain kami unggul dalam hal kemampuan manufaktur, fleksibilitas desain struktural, variasi material, kontrol geometri dan performa, serta kemampuan sensor mandiri secara real-time di bawah air. Dengan memanfaatkan gradien material berpori dan teknologi cetak 3D, kami berharap dapat menghasilkan lebih banyak sensor metamaterial yang terinspirasi oleh alam dengan berbagai jenis material, ukuran pori, dan fitur permukaan yang mendukung aplikasi potensial di banyak bidang,”jelas Prof. Wang Zuankai.
Di garis depan penelitian sains dan rekayasa yang terinspirasi oleh alam, tim Prof. Wang juga telah menemukan berbagai material baru, termasuk permukaan pembersih-diri yang terinspirasi daun teratai dengan kemampuan menolak air secara cepat, permukaan yang terinspirasi daun Araucaria yang memungkinkan transportasi cairan secara otomatis, serta struktur anti-es yang mampu memuntahkan tetesan beku secara spontan dengan meniru mekanisme biologis penembakan spora pada jamur. Ia membayangkan bahwa penelitian ini akan membuka jalan baru bagi pengembangan material yang terinspirasi oleh alam.
“Untuk material berpori alami, sifat mekanis seperti kekuatan mungkin bukan fungsi utama, melainkan produk sampingan dari biomineralisasi yang kompleks. Menemukan mekanisme yang sebelumnya tidak diketahui, yang berada di luar fungsi material yang diakui secara tradisional, membantu kita memahami dan memanfaatkan sumber daya alam ini secara lebih komprehensif. Hal ini sangat penting untuk kemajuan penelitian biomimetik,” pungkasnya.
Penelitian bersama ini juga dipimpin oleh Prof. LU Jian dari CityU, serta Prof. YAN Chunze dan Prof. SU Bin dari HUST. Hasil studi ini telah dipublikasikan di jurnal internasional Nature.
Recent Comments