智能材料“懂你的歡喜”

材料是人類生活和生產(chǎn)的基礎(chǔ)，研究者一般將其劃分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，對結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)主要要求其機(jī)械強(qiáng)度，而對功能材料的要求則側(cè)重于其特有的功能。智能材料的概念最早由日本高木俊宜教授在1989年提出，是指能夠感知環(huán)境變化，并通過自我判斷和結(jié)論而實現(xiàn)和執(zhí)行指令的材料。其不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料和功能材料，它模糊了兩者之間的界限，由于它功能特殊，使得逐漸發(fā)展出結(jié)構(gòu)功能化、功能智能化的特征。

隨著對智能材料研究的深入，對智能材料的定義變得更加嚴(yán)格，目前的概念即是指在材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)中，可將傳感、控制和驅(qū)動三種職能集于一身，通過自身對信息的感知、采集、轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)奶幚?，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成相應(yīng)動作，從而具有模仿生物體的自增值性、自修復(fù)性、自診斷性、自學(xué)習(xí)性和環(huán)境適應(yīng)性。智能材料在目前文獻(xiàn)中的提法大都為機(jī)敏材料（Smart Materia1）、智能材料（Intelligent Materia1），而機(jī)敏結(jié)構(gòu)（Smart Structure）、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)（Adaptive Structure）、智能結(jié)構(gòu)（Intelligent Structure），則是指將感元件、驅(qū)動元件和控制系統(tǒng)結(jié)合或融合在機(jī)體測量中而形成的一種器件復(fù)合結(jié)構(gòu)。

智能材料的基礎(chǔ)是功能材料。功能材料通常可分為兩大類，一類被稱為驅(qū)動材料，它可以根據(jù)溫度、電場或磁場的變化來改變自身的顏色、形狀、尺寸、位置、剛性、阻尼、相位、內(nèi)耗或結(jié)構(gòu)等性能，因而對環(huán)境具有自適應(yīng)功能，可用以制成各種執(zhí)行器；另一類被稱為感知材料，它是指材料對于來自外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度及變化（如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等）具有感知力，可以用來制成各種傳感器。同時，具有敏感材料與驅(qū)動材料特征的材料才能被稱為智能材料。智能材料通常不是一種單一的材料，而是一個由多種材料系統(tǒng)組元通過有機(jī)緊密或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的一體化系統(tǒng)，是敏感材料、驅(qū)動材料和控制材料（系統(tǒng)）的有機(jī)合成。

智能材料的分類

智能材料有龐大的家族，隨著研究的深入，更多的新材料逐漸被加入其中。如果按照智能材料的應(yīng)變能力來分類，其系統(tǒng)龐雜而難于理解，圖一是按照智能材料功能區(qū)分匯集的圖表資料，第一類是改變性能，第二類是改變能量。

由于智能材料的優(yōu)異性能，同時在許多高新技術(shù)領(lǐng)域都具有巨大的潛力和應(yīng)用前景，使之一直成為許多技術(shù)發(fā)達(dá)國家的優(yōu)先發(fā)展項目，并在國防、軍事、醫(yī)療、航天、交通、水利眾多方面都被廣泛關(guān)注和研究，成果有些已經(jīng)被利用在實際工程中，有些已經(jīng)在實驗室獲得突破。然而在建筑方面的應(yīng)用，智能材料基本還停留在記憶合金和壓電材料對結(jié)構(gòu)振動的控制、變色玻璃立面以及相變材料等幾大方面，本文試圖探索智能材料在可適應(yīng)建筑這個前沿課題方面的應(yīng)用。

智能材料應(yīng)用——電活性聚合物

電活性聚合物（Electroactive polymers，EAP），是指能夠在電流、電壓或電場作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能。電活性聚合物驅(qū)動器具有應(yīng)變高、柔軟性強(qiáng)、質(zhì)輕、無噪聲等特點，與肌肉有著極為相似的特性，而且密度小、回彈力大，另外具有類似生物肌肉的高抗撕裂強(qiáng)度，這些性能已經(jīng)超過了肌肉，被公認(rèn)為是最有前途的替代肌肉材料，所以EAP也被稱為人工肌肉。EAP可以產(chǎn)生的應(yīng)變比電活性陶瓷大兩個數(shù)量級，并且較形狀記憶合金的更快響應(yīng)速度及固有的振動阻尼性的優(yōu)異性能，使其在醫(yī)療、宇航員和士兵的增力外骨架、微型仿生飛行機(jī)器上有無可估量的應(yīng)用前景。

離子電活性聚合物復(fù)合材料（ionic EAP）是EAP的一種，其工作原理是，離子在沒有電場的情況下隨機(jī)分布，一旦施加電場，離子向聚合物的陽極一側(cè)聚接觸，并造成聚合物的一側(cè)彎曲。

電活性聚合物在建筑上的應(yīng)用還停留在實驗室和概念階段，2010年底蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)（ETHZ）的建筑系和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)實驗室的聯(lián)合研究項目，形變（Shape shift）——走向軟質(zhì)建筑，研究了如何應(yīng)用EAP來構(gòu)建一個可動態(tài)地適應(yīng)外部環(huán)境的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)基于一個多層復(fù)合菱形單元，由上至下的材料層分別是：硅絕緣層、傳導(dǎo)粉末層、5X5預(yù)應(yīng)力合金聚合物薄膜、傳導(dǎo)粉末層、硅絕緣層、丙烯框架、5.00V電壓連接。加電壓后，EAP聚合薄膜開始變形，并牽引丙烯框架彎曲，同時EAP薄膜仍舊保持光滑的雙曲拋物面和透明性，EAP薄膜以持續(xù)的、可控的變形表現(xiàn)出良好的可操作性和穩(wěn)定性，使結(jié)構(gòu)的變形可控、可逆變，并具有一定的強(qiáng)度和阻尼性。

菱形的EAP單元通過不同的組合方式可以形成空間結(jié)構(gòu)體系，通過電壓可控制單個或多個單元的變形，從而達(dá)到整體空間結(jié)構(gòu)的多種形式的轉(zhuǎn)化，并同時保持結(jié)構(gòu)的一定剛度。然而該項目專注于結(jié)構(gòu)性能的研究，要應(yīng)用于實際工程項目，EAP薄膜的防火、保溫、防潮以及采光隔熱等問題都需要以長期研究和實驗逐步解決，研究者對其大面積的應(yīng)用、預(yù)筑、加工、產(chǎn)品化、施工、維護(hù)、操作、造價都需要考慮和研究。

我們可以預(yù)想下一代張拉膜結(jié)構(gòu)會變得更加智能，擁有更加豐富的形態(tài)和外觀，同時更加適應(yīng)外環(huán)境。目前，商業(yè)化的智能材料廠家和傳統(tǒng)建筑材料廠家很少。

智能材料應(yīng)用——電介彈性復(fù)合材料

電介彈性復(fù)合材料（Dielectric Elastomer），簡稱DE，屬于電活性聚合物（Electroactive polymers）EAP的一種，能在直流電場作用下產(chǎn)生極大的應(yīng)變和彈性能。近來的研究顯示高380%應(yīng)變也得以突破，這使得DE成為高性能電制動器（Actuators）的理想材料，被廣泛應(yīng)用在微型機(jī)器人和醫(yī)療器械領(lǐng)域。

電介質(zhì)彈性體的工作原理近似于一個三明治結(jié)構(gòu)的平行板電容器，彈性體膜介于兩個平行金屬電極膜之間。當(dāng)在兩金屬電極上施加直流電壓時，兩電極之間產(chǎn)生的靜電引力在膜厚方向上擠壓彈性體膜使之變薄，從而在水平方向上擴(kuò)張，撤銷電壓，彈性體薄膜將恢復(fù)原狀。

電介彈性復(fù)合材料在建筑上的應(yīng)用還處于概念研究階段，2011年紐約建筑師德科雅頓（Decker Yeadon）提出了自穩(wěn)定立面（Homeostatic Facade）的幕墻原型方案，旨在創(chuàng)造一個低能耗的、自動調(diào)節(jié)太陽熱量和采光的高層幕墻體系。電介彈性復(fù)合材料以弧面對開合的方式組合，表面被涂以銀白色便于反射太陽輻射，按照熱帶魚圖斑的圖樣被封裝在兩邊玻璃之間，形成智能幕墻系統(tǒng)。

通過加載電壓，電介彈性復(fù)合材料可改變弧度，從而減少或者增加組合單元之間的縫隙，以調(diào)控光線的進(jìn)入和陰影面積，這一調(diào)節(jié)是可以實時地按照輻射的強(qiáng)度來進(jìn)行的。當(dāng)光線弱的時候，弧度變平，讓光線滲入；當(dāng)光線強(qiáng)的時候，弧度變大，更加貼近垂直面，覆蓋更多的立面面積。

該系統(tǒng)的優(yōu)點是具實時應(yīng)變性，建筑隨時間更替可產(chǎn)生不同的美學(xué)效應(yīng)，而且這樣的實時條件只以加載電流為前提，材料本身既是遮陽系統(tǒng)又是驅(qū)動器，所有變化都在局部內(nèi)完成。如果建筑立面為曲面，就會產(chǎn)生統(tǒng)一系統(tǒng)不同變化的美學(xué)效果。由于系統(tǒng)采用了不規(guī)則圖案的方式，采光效果未必能達(dá)到均勻和舒適，而以全覆蓋的方式應(yīng)用在大型項目中時，造價控制成為難以克服的問題。另外和外遮陽系統(tǒng)比較，在熱帶地區(qū)溫度過高的問題仍然不易解決。

智能材料——未來的研究方向

智能材料是材料科學(xué)不斷向前發(fā)展的必然結(jié)果，是信息技術(shù)融入材料科學(xué)的自然產(chǎn)物，它的問世標(biāo)志和宣告著第5代新材料的誕生，也預(yù)示著在21世紀(jì)將發(fā)生一次劃時代的材料革命。近年來，智能材料的研究在世界范圍內(nèi)已成為材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點之一，很多工程領(lǐng)域的突破和新成果的出現(xiàn)都有智能材料的貢獻(xiàn)。

一個非常典型的案例是由NASA先進(jìn)概念研究所（NIAC）設(shè)計的無人撲翼飛機(jī)，在《IEEE Spectrum》雜志上一篇題為《像鳥一樣飛翔，徹底改變飛機(jī)設(shè)計》的文章里，該方案中EAP薄膜層作為一個關(guān)鍵構(gòu)件，與光伏薄膜層疊，光伏薄膜產(chǎn)生電能蓄到鋰電池中，以驅(qū)動EAP薄膜成為撲翼飛翔的動力，從而完成完全仿生的飛翔活動。從這個案例可以看出，國際趨向的研究重點已集中在智能材料的仿生構(gòu)思和創(chuàng)興工程在智能材料研發(fā)上的應(yīng)用（如TRIZ系統(tǒng)工程的植入），介紹一下經(jīng)典的途徑：

1）壓電材料+電熱材料=壓熱材料（阻尼材料）

2）壓電材料+電致變色材料=壓致變色材料（示警材料）

3） 光電材料+電致變色材料=光致變色材料（智能玻璃）

4） 電熱材料+壓電材料=熱致變形材料

5） 光伏材料+壓電材料=光致變形材料

智能材料的研究需要橫向科學(xué)的加入，跨領(lǐng)域、多學(xué)科是必然的趨勢。計算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)成為必要手段，化學(xué)、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科結(jié)合創(chuàng)新思想成為突破的關(guān)鍵。智能材料設(shè)計的研發(fā)思想可以總結(jié)為以下幾條思路：從材料設(shè)計的角度考慮智能材料的制造，軟件功能引入材料，能量的傳遞途徑的創(chuàng)新，材料具有時間軸的觀點，可仿照生物體的功能。

可以想見，智能材料結(jié)合數(shù)字化設(shè)計和快速成型技術(shù)，必將帶來一場建筑設(shè)計的新革命，推動建筑朝著更加智能的方向發(fā)展。

（請作者見刊后盡快與本刊聯(lián)系）