聰明的智能材料

童　民

何謂智能材料

所謂的智能材料就是要具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，能根據(jù)不斷變化的外部環(huán)境和條件，及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并能相應(yīng)地改變自身的狀態(tài)和行為的材料。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是智能材料要具備“發(fā)現(xiàn)故障”和“自我修復(fù)”的功能。但是，現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿(mǎn)足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。智能材料系統(tǒng)要具有或部分具有傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自我診斷能力、自我修復(fù)能力、自我調(diào)節(jié)能力等。

不要以為智能材料離我們很遠(yuǎn)，其實(shí)我們熟悉的變色太陽(yáng)鏡中就含有智能材料。這種智能材料能感知周?chē)墓饩€強(qiáng)弱，當(dāng)周?chē)墓夂軓?qiáng)時(shí)，就自行變暗，當(dāng)光較弱時(shí)，就變得透明起來(lái)。不久以后，智能材料將普遍地在我們的生活中出現(xiàn)，如智能服裝會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)大小、顏色和溫度；變形建筑允許主人按一下鍵就能改變自身的形狀，智能窗戶(hù)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)光線，智能墻壁可以變換顏色，房間和屋頂也能根據(jù)需求而擴(kuò)展、收縮甚至改變外形。

會(huì)“報(bào)警”的智能材料

有一次，美國(guó)一架大型客機(jī)發(fā)生墜機(jī)事件，機(jī)上的270名乘客全部喪生。經(jīng)過(guò)檢查，原來(lái)是發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)小小螺釘斷裂造成機(jī)毀人亡。人與動(dòng)物生病都有前兆，可以及時(shí)進(jìn)行預(yù)防、醫(yī)治，但飛機(jī)即使裂開(kāi)了口子，也不會(huì)喊痛。于是有人設(shè)想：如果飛機(jī)在剛出現(xiàn)裂紋還沒(méi)有斷裂之前，自己能大呼“救命”，向人類(lèi)發(fā)出警報(bào)，或者在出現(xiàn)裂紋后，自己能立即自動(dòng)修補(bǔ)并加固，不就可以避免機(jī)毀人亡的悲劇了嗎？

為了達(dá)到這個(gè)目的，曾有科學(xué)家設(shè)想在制造機(jī)翼的高性能復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖，這些縱橫交錯(cuò)的光纖就如同機(jī)翼的神經(jīng)，可以感受到機(jī)翼上承受的不同壓力。通過(guò)測(cè)量光纖傳輸光時(shí)的各種變化，就能測(cè)出飛機(jī)機(jī)翼承受的不同壓力。當(dāng)異常情況發(fā)生時(shí)，光纖發(fā)生斷裂，光傳輸中斷，報(bào)警裝置便發(fā)出警報(bào)，以便機(jī)組人員及時(shí)采取防范措施?？茖W(xué)家還設(shè)想，可以將一種智能材料薄片貼在機(jī)翼上，形成機(jī)翼的“智能皮膚”。這種智能材料的覆蓋層可根據(jù)飛行員發(fā)出的電腦指令改變外形，一旦飛機(jī)的升降舵和方向舵失靈就可取代它們，使飛機(jī)能繼續(xù)正常飛行。

會(huì)“修補(bǔ)”的智能材料

2006年8月5日，巴基斯坦馬爾丹市，當(dāng)人們聚集在一座大橋上看洪水時(shí)，大橋突然坍塌，至少有60人在這起橋梁坍塌事故中被淹死。這種事故多數(shù)是因材料發(fā)生疲勞斷裂而引起的。為了不讓?xiě)K劇再度上演，在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自行診斷其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。

在這方面，英國(guó)伊利斯諾大學(xué)科學(xué)家的研究已經(jīng)有了成效。他們研制出的一種新型智能混凝土，不是由水泥、沙石加水?dāng)嚢瓒?，而是把大量的空心纖維埋于混凝土中，空心纖維里面裝滿(mǎn)了“裂縫修補(bǔ)劑”。一旦公路、橋梁或高層建筑開(kāi)裂，空心纖維也隨之開(kāi)裂，修補(bǔ)劑便從中流淌出來(lái)，自行填補(bǔ)在開(kāi)裂的地方，使之愈合。

會(huì)“說(shuō)話”的智能材料

英國(guó)科學(xué)家還在研制一種能讓殘疾兒童借助它“說(shuō)話”的智能化衣料。目前，該研究組織正在把大部分精力投入醫(yī)療保健應(yīng)用領(lǐng)域，用這種布料制成的馬甲幫助殘疾兒童（如孤僻或腦癱瘓者）與他人交流。這些兒童只需簡(jiǎn)單地輕拍外衣上不同的部位，就可以傳達(dá)不同的信息。信息通過(guò)紅外信號(hào)傳給聲音合成器或電視屏幕。

這種材料是用普通的布料和一種獨(dú)創(chuàng)的導(dǎo)電網(wǎng)狀飽和碳纖維制成。當(dāng)布料受壓時(shí)，通過(guò)導(dǎo)電纖維的低電壓信號(hào)發(fā)生變化，一個(gè)簡(jiǎn)單的電腦芯片就可以精確地指出面料的哪個(gè)部位被觸摸。它還可以觸發(fā)任何與其相連的、體積不超過(guò)兩個(gè)火柴盒大小的電子設(shè)備。這種材料可以洗滌，裹在別的東西外面或者揉搓都不會(huì)損壞，它可以低成本地大批量生產(chǎn)。該材料也引起了藝術(shù)家的興趣，期望能利用它非凡的特性帶來(lái)藝術(shù)上的創(chuàng)新。

會(huì)“治病”的智能材料

在醫(yī)療方面，智能材料還被應(yīng)用于藥物自動(dòng)釋放系統(tǒng)上。日本東京女子醫(yī)學(xué)院已經(jīng)推出一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，該聚合物會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)伸展成帶。借助這一特性，這一聚合物可制成人造胰臟細(xì)胞。這種聚合物包封的胰島素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)胞工作，血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素被密封。這樣，病人的血糖濃度就會(huì)始終保持正常的水平。

由于導(dǎo)電有機(jī)聚合物在微電流刺激下可以收縮或擴(kuò)張，因而具備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的潛力。這類(lèi)導(dǎo)電聚合物組成的裝置，在較小電流刺激下同樣表現(xiàn)出明顯的彎曲或伸張/收縮能力。因此，它們有著廣泛的潛在用途，在諸如機(jī)器人（如輕型齒輪、杠桿、風(fēng)擋雨刷等）、假肢裝置和微型泵等方面可以一展身手。目前，澳大利亞智能聚合物研究所主要在兩個(gè)項(xiàng)目上取得了一些進(jìn)展。其一，澳大利亞智能聚合物研究所成功開(kāi)發(fā)了更有序的聚合物裝置。該裝置可以產(chǎn)生比天然肌肉多15倍的力，計(jì)算顯示，這種導(dǎo)電聚合物纖維最終將可以產(chǎn)生1000倍于天然肌肉的應(yīng)力。第二項(xiàng)進(jìn)展為第一臺(tái)基于碳納米管的聚合物致動(dòng)器。這種致動(dòng)器包括高度有序的納米管，當(dāng)電荷加到納米管上或從納米管上卸去時(shí)，這些納米管能作出快速的尺寸改變。

有記憶功能的智能材料

有一種神奇的材料能記得自己“出生”時(shí)的樣子，不管人們將它弄成什么樣子，只要環(huán)境溫度達(dá)到某個(gè)點(diǎn)，它就會(huì)“想起”自己‘出生時(shí)的模樣，并恢復(fù)本來(lái)面目。這種現(xiàn)象被科學(xué)家稱(chēng)為“形狀記憶效應(yīng)”，具有這種效應(yīng)的合金則被稱(chēng)為“形狀記憶合金”，或稱(chēng)“記憶合金”。

各種衛(wèi)星通過(guò)無(wú)線電波將信號(hào)傳送到地球上，發(fā)射無(wú)線電波當(dāng)然離不開(kāi)天線，令許多人不解的是，衛(wèi)星的天線直徑一般有數(shù)米，而且形狀各異，那么，這些天線是如何被裝進(jìn)小巧的航天飛船里送上太空的呢？原來(lái)，這種天線很多都是用具有記憶功能的合金材料制成的。直徑數(shù)米的天線制成后，降低溫度將其壓成一小團(tuán)，裝入航天飛船里。當(dāng)天線在太陽(yáng)光的照耀下溫度升高到記憶溫度時(shí)，天線的記憶力被喚醒了，恢復(fù)成“出生”時(shí)的樣子。

除了用于制作衛(wèi)星天線外，還有人用記憶合金制成了溫室窗戶(hù)自動(dòng)開(kāi)閉器。當(dāng)溫室溫度升至25℃時(shí)，窗戶(hù)自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)溫度降至18℃時(shí)，窗戶(hù)自動(dòng)關(guān)閉。用記憶合金作支撐架的服裝也很有特色，服裝在水中可以任意揉搓清洗，但當(dāng)它被穿到身上時(shí)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的形狀。