敏感材料不尋常

竇光宇

敏感材料又稱智能材料，是繼天然材料、人造材料、精細(xì)材料之后的第四代功能材料。

具備多種仿生功能

敏感材料的構(gòu)想來源于模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能，以便制造人類更為理想的工具和各種用具。因此，各種不同種類的敏感材料，均要具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制三個(gè)基本要素。具有或部分具有如下功能和特征：1．傳感功能。能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射的強(qiáng)度及其變化。2．反饋功能?？梢酝ㄟ^傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。3．信息識別與積累功能。能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。4．響應(yīng)功能。能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地做出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。5．診斷功能。能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。6．修復(fù)和調(diào)節(jié)功能。通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機(jī)制，修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，相應(yīng)改變自身狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對敏感材料的要求越來越復(fù)雜。而一般的單一材料則難以滿足需要，這就需要采取復(fù)合的方法來加以解決。一般來說，復(fù)合敏感材料由基體部分、傳感部分、驅(qū)動(dòng)部分和信息處理器構(gòu)成?；w部分擔(dān)負(fù)著承載作用，一般選用輕質(zhì)材料或高分子材料，具有重量輕、耐腐蝕等特征。傳感部分的主要作用是感知環(huán)境變化，包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、PH值等，常用電流變體、磁流變體和液晶材料。驅(qū)動(dòng)部分擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)，常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，起到了身兼二職的作用，在復(fù)合功能中的作用也非同一般。

高新領(lǐng)域顯示身手

目前，敏感材料主要用于飛行、航天等高科技領(lǐng)域。由敏感材料制成的各種結(jié)構(gòu)，可用于測量內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和壽命預(yù)測。例如，采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)，可對機(jī)翼、機(jī)架以及可重復(fù)使用的航天運(yùn)載器，進(jìn)行全壽命期的實(shí)時(shí)監(jiān)測、損傷評估和壽命預(yù)測；空間站等大型在軌系統(tǒng)，采用光纖智能結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)探測，不僅可以得到由于交會(huì)對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷的情況，還能夠?qū)p傷程度進(jìn)行評估和自診斷，及時(shí)反饋到指揮系統(tǒng)，以便采取有力對策。

敏感材料用于航空、航天系統(tǒng)，可以消除系統(tǒng)的有害振動(dòng)，減輕對電子系統(tǒng)的干擾，提高可靠性。美國國防研究計(jì)劃局資助波音公司研制的直升機(jī)智能結(jié)構(gòu)旋翼葉片，通過改善旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能，大大減小了振動(dòng)和噪音。國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu)，由壓電陶瓷、形狀記憶合金和磁致伸縮等新型材料制成。用于艦艇，可以抑制噪聲傳播，提高潛艇和軍艦的聲隱身性能；用于地面車輛，可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度。

利用敏感材料還可以為飛行器增添環(huán)境自行適應(yīng)結(jié)構(gòu)。自體愈合機(jī)翼可以像生命有機(jī)體一樣可伸縮和有反應(yīng)能力。多用途轟炸機(jī)，既可充當(dāng)敏捷噴氣戰(zhàn)斗機(jī)，又可變成成群的微型無人駕駛航空器。實(shí)現(xiàn)這些航空航天科技項(xiàng)目的重大突破，核心技術(shù)就是敏感材料。美國的一項(xiàng)研究表明，在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器，可使機(jī)翼阻力降低85％。波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究開發(fā)的一項(xiàng)新課題，通過在槳葉中嵌入智能纖維，可以使槳葉扭轉(zhuǎn)變形。美國國防部和航空航天局研究的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，包括翼片彎曲、彎曲造型、控制面造型等許多新設(shè)計(jì)和新工藝，工作性能更為優(yōu)異?，F(xiàn)在，形態(tài)工程科學(xué)家所設(shè)想的機(jī)翼，使用“形態(tài)記憶”合金和其他新型材料，可以彎曲產(chǎn)生新的形狀，也可以根據(jù)指令而展開。一旦提供足夠的能量后，無論變換成為任何形狀，都可以最終恢復(fù)成原有的狀態(tài)。不久的將來，用敏感材料制成的飛機(jī)機(jī)翼，可以像魚尾巴一樣行動(dòng)自如，自行彎曲、自動(dòng)改變形狀，從而改進(jìn)升力和阻力，使飛機(jī)飛得更高、更快。

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)當(dāng)好幫手

敏感材料在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中發(fā)揮了重要作用，已經(jīng)成為人類戰(zhàn)勝危難疾病的得力幫手。

意大利比薩大學(xué)的科研人員，研制成功一種人造皮膚敏感材料，這種材料可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種敏感材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。這種生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉，所以，應(yīng)用于人體組織的修復(fù)具有與生物體的相容性。隨著傷口的愈合，這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解，最后將會(huì)消失。

在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上，科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞，將它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模擬胰細(xì)胞工作，使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平。

敏感材料可以制成有效的抗癌藥物“導(dǎo)彈”，其中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核，而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個(gè)水化物外殼。這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體，能自動(dòng)避免被機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞捕獲而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地。

20世紀(jì)90年代后期，科學(xué)家研制出癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕?。這種先進(jìn)的治療用具，采用對電磁場敏感的鐵氧體、包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲制成。通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位，由于形狀記憶作用，這種治療工具會(huì)發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象；其后，在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場作用下，溫?zé)嶂委熱槷a(chǎn)生一定熱量，致使癌變區(qū)得以萎縮。

促進(jìn)生活更加舒適

墻壁可以隨心所欲的變換顏色；椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀；一切的電器都是觸摸式的，永遠(yuǎn)不會(huì)再有觸電的危險(xiǎn)：可視電話帶有傳感功能……

德國斯圖加特大學(xué)研究人員，發(fā)明了一種以太陽能為能源的新型化學(xué)纖維敏感材料，可將手機(jī)和電子記事本直接在衣服上接通?，F(xiàn)在，這種高科技衣服已研制出樣品，敏感材料新纖維和袖珍太陽能計(jì)算器一樣，由3層薄薄的硅酮材料組成，外層是陰陽兩極導(dǎo)體。當(dāng)構(gòu)成光線的光子與含有大量電子的第一層材料接觸時(shí)，電子會(huì)向電子量較少的下兩層材料里移動(dòng)，形成電流。這種太陽能導(dǎo)線能抵卸紫外線，耐熱，可以織入任何質(zhì)地的衣料，且可在洗衣機(jī)中洗滌。

建造具有變通性和智能性房屋，需要使用多功能磚，這種新型建筑材料由若干個(gè)分層構(gòu)成。通常情況下，第一層是功能層，能感受來自周圍的聲能、熱能、光能，并能控制這些能量的輸出，如果是內(nèi)墻壁磚的話，還能控制和改變墻體的功能：第二層是通訊層，能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道，第三層是輸送通道，可以用來輸送水和其他材料。此外，住戶還可以挑選合適的帶“面膜”的磚材。如壁膜可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案；傳感膜可以接收聲波、熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng)；地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案；界面膜可連接內(nèi)外通信線路。面膜可以算作是磚材的最上層，但設(shè)置及構(gòu)形并不是一成不變，比較容易剝離。這樣，更便于人們根據(jù)需要更換新的面膜。

在未來的廚房里。利用敏感材料制造的餐具不僅能測知食物的存在，而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀。此外，它還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能。用敏感材料制作的座椅不僅功能將大大增加，而且也將增加舒適程度。能改變椅座面的柔韌性和彈性，也可以形成各種型式的椅座面。這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫。甚至對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能。

采用敏感材料裝修的衛(wèi)生間，會(huì)使人感到十分便捷。洗漱時(shí)，人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域，就能調(diào)節(jié)控制水溫、水速和水流的狀態(tài)供人們選擇。抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動(dòng)變化，坐墊自動(dòng)加熱至舒適的溫度。整個(gè)結(jié)構(gòu)無論安裝在室內(nèi)的任何地方，都能解決上下水的問題，淋浴設(shè)備的水溫和水流得到自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)。(文章代碼：0809)

[責(zé)任編輯]龐云