智能材料的發(fā)展要素與4D打印技術(shù)結(jié)合

趙 滬

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830046）

引言

隨著人們對(duì)人工智能領(lǐng)域的研究不斷深入，它已經(jīng)沖出計(jì)算機(jī)科學(xué)的范疇，面向更多需要人的思維、意識(shí)等參與的領(lǐng)域中。智能材料的創(chuàng)造與人工智能的精髓不謀而合，它是現(xiàn)代高科技材料，區(qū)別于一般傳統(tǒng)材料，自身具有獨(dú)特的功能特性，可以完成適應(yīng)條件的一系列調(diào)整措施。

智能材料一般由一個(gè)材料系統(tǒng)來顯示其智能性，不僅代表結(jié)合多種基本材料組元，更重要是結(jié)合多項(xiàng)功能的配合。在如此復(fù)雜的體系中，智能材料需要以人工智能為支撐，融入其中的思維方式和智能行為，考慮更多的因素和不同領(lǐng)域的融合。

1 智能材料的發(fā)展要素

1.1 智能材料的傳感性能

把傳感器從獨(dú)立的分立式元件，埋入到材料的系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精準(zhǔn)檢測(cè)，為自修復(fù)性能提供基礎(chǔ)。比如，把光纖傳感器埋入復(fù)合材料，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料工作狀態(tài)受到的載荷和損傷程度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。具體情況主要有幾個(gè)方面：對(duì)應(yīng)變的檢測(cè)、對(duì)應(yīng)變和溫度的同時(shí)檢測(cè)、對(duì)內(nèi)部局部開裂的檢測(cè)、對(duì)內(nèi)部固化情況的檢測(cè)等[1]。

不同的傳感元件都具有自己的傳感特性，因此，需要對(duì)相關(guān)傳感元件的特性進(jìn)行深入的分析，除了傳統(tǒng)的傳感器需要具有好的穩(wěn)定性、靈敏性和抗干擾性能以外，當(dāng)它埋入復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)中，與結(jié)構(gòu)的配合問題是關(guān)鍵，要與材料結(jié)合得好，并且尺寸結(jié)構(gòu)上盡量不對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成影響。這就要為了適應(yīng)智能材料系統(tǒng)，對(duì)傳感元件要進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，傳感器埋入復(fù)合材料這一特點(diǎn)，傳感器信號(hào)的檢測(cè)方面也受到了影響，檢測(cè)方法和信號(hào)處理系統(tǒng)都需要作出相應(yīng)的調(diào)整。

1.2 智能材料的驅(qū)動(dòng)性能

目前的驅(qū)動(dòng)元件有壓電元件、形狀記憶合金、電致伸縮元件、磁致伸縮元件等。區(qū)別于普通材料，驅(qū)動(dòng)元件可以給智能材料自適應(yīng)特性，智能材料才能因外界環(huán)境的改變而產(chǎn)生響應(yīng)。驅(qū)動(dòng)元件發(fā)揮的功能，智能材料從簡(jiǎn)單形態(tài)向復(fù)雜形態(tài)過渡[2]。驅(qū)動(dòng)器在制造中要考慮很多的因素，比如，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單、與基本材料的結(jié)合度要好、機(jī)械性能要優(yōu)良、便于控制、穩(wěn)定性要好[3]。

其中，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器與傳遞機(jī)械或者電磁驅(qū)動(dòng)器相比，幾乎沒有能量損耗，并且使得材料獲得的驅(qū)動(dòng)性能十分好。首先，它的變形能力很強(qiáng)，因此可以獲得較大的驅(qū)動(dòng)行程。它工作和斷裂應(yīng)力很高，因此材料便可以承載更大的強(qiáng)度要求。再者，它能量體積比很大，可以支撐智能材料系統(tǒng)獲得較大的驅(qū)動(dòng)力。所以，驅(qū)動(dòng)器的性能是影響智能材料系統(tǒng)的關(guān)鍵性因素，驅(qū)動(dòng)元件如果能多功能集成，那么智能材料系統(tǒng)也可以向功能更全面地方向發(fā)展。

1.3 智能材料的響應(yīng)性能

當(dāng)控制元件集成在智能材料的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，這個(gè)結(jié)構(gòu)就是受控制的那個(gè)對(duì)象。受控對(duì)象要在時(shí)間維度變化時(shí)，產(chǎn)生設(shè)定好的形態(tài)。關(guān)鍵是，它能夠感知到外界刺激，做出相應(yīng)的執(zhí)行和反饋。比如，碳納米管混合智能材料可能成為一種具有獨(dú)特屬性和應(yīng)用的新型智能材料。碳納米管及其復(fù)合材料有一個(gè)壓電電阻（電阻隨應(yīng)變變化）的響應(yīng)，用于監(jiān)測(cè)復(fù)合結(jié)構(gòu)的負(fù)載和應(yīng)變[4]。

除了壓電效應(yīng)以外，碳納米管的電致變色性能也十分出色，表明碳納米管對(duì)智能材料的響應(yīng)性能產(chǎn)生了很大的影響。

這種響應(yīng)性能特別依賴材料的智能控制技術(shù)，我們的研究精力主要花在控制器上面，根據(jù)控制器的智能性便可以引導(dǎo)受控對(duì)象成型效果。結(jié)構(gòu)的智能性體現(xiàn)在受到智能控制時(shí)，響應(yīng)的獨(dú)特性，無論是頻域分析或者時(shí)域分析，都無法特別好的解決材料受環(huán)境的影響[5]。

所以，智能控制下材料的響應(yīng)性能是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變的活躍因子，受設(shè)計(jì)模型影響小，但是受控制器引導(dǎo)方向的影響巨大。

2 智能材料與4D打印技術(shù)結(jié)合

4D打印技術(shù)是3D打印和智能材料發(fā)展下的產(chǎn)物，智能材料的4D打印技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。這項(xiàng)技術(shù)是讓3D打印出來的結(jié)構(gòu)受到一定激勵(lì)作用，使之能夠發(fā)生結(jié)構(gòu)或者功能的變化。這體現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)的自組裝性，多功能化和自我修復(fù)，它通過重新配置以適應(yīng)環(huán)境的變化。在這其中，引入了一個(gè)時(shí)間維度，一系列變形行為隨著時(shí)間推移逐步發(fā)生，比如折疊、彎曲、扭轉(zhuǎn)等，甚至是表面形貌的形成，成型后再進(jìn)一步研究它的性能，比如力學(xué)特性、摩擦學(xué)特性等傳統(tǒng)研究方向。

再往更復(fù)雜的功能延伸，一些情況下需要材料的兩種或者兩種以上變形行為。例如，可以被電壓和溫度兩種因素同時(shí)驅(qū)動(dòng)的材料，甚至能同時(shí)表現(xiàn)出更多其他響應(yīng)的材料?；蛘邔?duì)同種驅(qū)動(dòng)條件做出響應(yīng)的材料集成在一起制造，這樣混合打印出的智能材料將表現(xiàn)出更加靈活的功能[5]。這些問題都是4D打印帶來的智能行為的結(jié)合。另一個(gè)關(guān)鍵問題是智能材料可以對(duì)刺激作出回應(yīng)，反映的響應(yīng)速度如何。假設(shè)一些智能材料可以感覺到刺激，但是或許，在很長(zhǎng)一段時(shí)間后，只反映出很小的響應(yīng)，因此，智能材料的響應(yīng)性能也需要進(jìn)一步研究[6]。

智能材料的發(fā)展，不僅需要現(xiàn)有的理論來分析，更重要的是它需要區(qū)別傳統(tǒng)材料的分析方法。它依賴于驅(qū)動(dòng)條件，同時(shí)需要開發(fā)軟件來設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)，制造4D打印機(jī)來適應(yīng)環(huán)境和打印需要，這只是其中一些方面。另外，完成這樣智能的結(jié)構(gòu)制造需要很強(qiáng)大的控制系統(tǒng)來監(jiān)控，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生，初步成型時(shí)本身的結(jié)構(gòu)不是那么重要，關(guān)鍵性問題是在編程控制下的變化，在設(shè)計(jì)時(shí)就嵌入幾種造型，根據(jù)需要產(chǎn)生不同的變化，增強(qiáng)材料的利用率和適應(yīng)性[7]?？梢詮闹锌闯?D打印技術(shù)具有極大的靈活性和可變形性，可以作為3D打印技術(shù)的延伸，有可能實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)無法成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在其中嵌入感知與執(zhí)行的部分，智能材料系統(tǒng)節(jié)省了制造過程設(shè)計(jì)和加工的難度，可環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)自我形狀的改變。4D打印技術(shù)的發(fā)展，特別要有智能材料系統(tǒng)的支持，還有計(jì)算機(jī)編程軟件和4D打印專業(yè)設(shè)備。

總之，以智能材料系統(tǒng)為依托的4D打印技術(shù)，結(jié)合了人工智能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，它可以影響到多個(gè)領(lǐng)域，甚至產(chǎn)生重大的技術(shù)方面的變革，比如軟體機(jī)器人、隱身技術(shù)、醫(yī)療器械、柔性電路等多個(gè)方向的應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

本文介紹了智能材料的發(fā)展要素，均表現(xiàn)出與傳統(tǒng)技術(shù)上的差異。智能材料的出現(xiàn)，可以解決傳統(tǒng)材料單一的功能，對(duì)智能材料的研究表明材料科學(xué)最先進(jìn)和前沿的研究方向。開拓了多學(xué)科交叉的新學(xué)科和高技術(shù)。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了與智能材料結(jié)合的4D打印技術(shù)，4D打印技術(shù)突破了3D打印技術(shù)結(jié)構(gòu)上成型后不可變化的約束，將智能材料的優(yōu)點(diǎn)變現(xiàn)得更充分。我們可以看出智能材料功能的強(qiáng)大以及和4D打印技術(shù)結(jié)合后，應(yīng)用前景是十分可觀的，可以為國(guó)防事業(yè)和民用設(shè)施的發(fā)展提供新動(dòng)力。

[1]關(guān)鐵梁.智能材料中光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展[J].光通信技術(shù)，1995（1）：77-79.

[2]謝建宏，張為公，梁大開.智能材料結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（11）：6-9.

[3]王家海，宣力偉.形狀記憶合金在驅(qū)動(dòng)器上的應(yīng)用研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19（4）：65-67.

[4]Jain S B，Kang P，Yun Y H，et al.Building smart materials based on carbon nanotubes[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2004（2）：187-203.

[5]陳花玲，羅斌，朱子才，等.4D打?。褐悄懿牧吓c結(jié)構(gòu)增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，52（2）：1-9.

[6]Momeni F，Seyed M M H N，Liu X，et al.A review of 4D printing[J].Materials&Design，2017（3）：27-29.

[7]耿云玲.4D打印現(xiàn)狀及未來發(fā)展動(dòng)向[J].國(guó)防科技，2016（3）：24-27.