Por lo general es de un color marrón intenso en la espalda y los lados de la cabeza, cuerpo y parte superior de las patas; la región ventral es de un color rubio o gris sedoso. El cuerpo y la ancha cola plana están cubiertos con un pelaje espeso que retiene una capa de aire aislante que mantiene al animal caliente. La cola es similar a la del castor, pero a diferencia de éste, que la emplea para propulsarse, el ornitorrinco solo la utiliza para maniobrar en el agua; asimismo utiliza la cola como almacén de reservas de grasa, una adaptación que también presentan animales como el diablo de Tasmania Tiene patas palmeadas y un gran hocico ancho y plano, cubierto de una piel suave y de aspecto similar a goma húmeda; estos rasgos son más parecidos a los encontrados en un pato que a los encontrados en cualquier mamífero conocido. La membrana que posee entre los dedos de las patas delanteras es mayor que la de las posteriores y sobrepasa el extremo de los dedos para conseguir mayor superficie de empuje, ya que es con las extremidades anteriores con las que se desplaza durante el buceo. Cuando se desplaza por tierra pliega dicha membrana hacia atrás, dejando expuestas sus fuertes uñas.A diferencia del pico de las aves, en el que las partes superior e inferior se separan para revelar la boca, su hocico es un órgano sensorial con la boca en la parte inferior. Los orificios nasales están situados en la superficie dorsal del hocico, mientras que los ojos y las orejas se encuentran en un surco situado justo detrás del hocico; este surco se cierra cuando el animal nada.8 Tiene aproximadamente la mitad de receptores olfativos que la mayoría de los mamíferos, sin embargo cuenta con la habilidad de oler bajo el agua, adaptación valiosa durante su búsqueda subacuática de alimento. Los investigadores piensan que esta habilidad puede haberse ganado cuando el linaje de los ornitorrincos experimentó una expansión en los genes que codifican para cierto receptor de olor llamado receptor vomeronasal. Se ha escuchado a ornitorrincos emitir un gruñido grave cuando se los molesta, y en ejemplares en cautividad se han registrado varios tipos de vocalizaciones.
Los ornitorrincos utilizan para cazar la electrolocalización . Gracias a una serie de electrorreceptores situados en hileras en la piel del hocico y a mecanoreceptores también distribuidos por el hocico, son capaces de percibir los débiles impulsos eléctricos que los animales producen al moverse . El sistema electrorreceptor del ornitorrinco es el más sensible de todos los monotremas y este interesante método sugiere que pueden también calcular la distancia a la que se encuentran las presas a partir de la diferencia en el tiempo de llegada de las dos señales. Así, cuando salen a cazar, mueven la cabeza de un lado al otro para detectar a sus presas comparando las diferencias en la intensidad de la señal y calculando cuánto tiempo tardarán en llegar.
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