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，及時地自動調(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。簡單地說，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，其實我們熟悉的變色太陽鏡中就含有智能材料。這種智能材料能感知周圍的光線強弱，當周圍的光很強時，就自行變暗，當光較弱時，就變得透明起來。不久以后，智能材料將普遍地在我們的生活中出現(xiàn)，如智能服裝會自動調(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，智能窗戶會自動調(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)需求而擴展、收縮甚至改變外形。

會“報警”的智能材料

有一次，美國一架大型客機發(fā)生墜機事件，機上的270名乘客全部喪生。經(jīng)過檢查，原來是發(fā)動機上的一個小小螺釘斷裂造成機毀人亡。人與動物生病都有前兆，可以及時進行預(yù)防、醫(yī)治，但飛機即使裂開了口子，也不會喊痛。于是有人設(shè)想：如果飛機在剛出現(xiàn)裂紋還沒有斷裂之前，自己能大呼“救命”，向人類發(fā)出警報，或者在出現(xiàn)裂紋后，自己能立即自動修補并加固，不就可以避免機毀人亡的悲劇了嗎？

為了達到這個目的，曾有科學(xué)家設(shè)想在制造機翼的高性能復(fù)合材料中嵌入細小的光纖，這些縱橫交錯的光纖就如同機翼的神經(jīng)，可以感受到機翼上承受的不同壓力。通過測量光纖傳輸光時的各種變化，就能測出飛機機翼承受的不同壓力。當異常情況發(fā)生時，光纖發(fā)生斷裂，光傳輸中斷，報警裝置便發(fā)出警報，以便機組人員及時采取防范措施?？茖W(xué)家還設(shè)想，可以將一種智能材料薄片貼在機翼上，形成機翼的“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，一旦飛機的升降舵和方向舵失靈就可取代它們，使飛機能繼續(xù)正常飛行。

會“修補”的智能材料

2006年8月5日，巴基斯坦馬爾丹市，當人們聚集在一座大橋上看洪水時，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。為了不讓慘劇再度上演，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、沙石加水攪拌而成，而是把大量的空心纖維埋于混凝土中，空心纖維里面裝滿了“裂縫修補劑”。一旦公路、橋梁或高層建筑開裂，空心纖維也隨之開裂，修補劑便從中流淌出來，自行填補在開裂的地方，使之愈合。

會“說話”的智能材料

英國科學(xué)家還在研制一種能讓殘疾兒童借助它“說話”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。這些兒童只需簡單地輕拍外衣上不同的部位，就可以傳達不同的信息。信息通過紅外信號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創(chuàng)的導(dǎo)電網(wǎng)狀飽和碳纖維制成。當布料受壓時，通過導(dǎo)電纖維的低電壓信號發(fā)生變化，一個簡單的電腦芯片就可以精確地指出面料的哪個部位被觸摸。它還可以觸發(fā)任何與其相連的、體積不超過兩個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藝術(shù)上的創(chuàng)新。

會“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張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時，該聚合物會縮成小球，葡萄糖濃度高時，小球會伸展成帶。借助這一特性，這一聚合物可制成人造胰臟細胞。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胞工作，血液中的血糖濃度高時，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時，胰島素被密封。這樣，病人的血糖濃度就會始終保持正常的水平。

由于導(dǎo)電有機聚合物在微電流刺激下可以收縮或擴張，因而具備將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的潛力。這類導(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項目上取得了一些進展。其一，澳大利亞智能聚合物研究所成功開發(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。第二項進展為第一臺基于碳納米管的聚合物致動器。這種致動器包括高度有序的納米管，當電荷加到納米管上或從納米管上卸去時，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”時的樣子，不管人們將它弄成什么樣子，只要環(huán)境溫度達到某個點，它就會“想起”自己‘出生時的模樣，并恢復(fù)本來面目。這種現(xiàn)象被科學(xué)家稱為“形狀記憶效應(yīng)”，具有這種效應(yīng)的合金則被稱為“形狀記憶合金”，或稱“記憶合金”。

各種衛(wèi)星通過無線電波將信號傳送到地球上，發(fā)射無線電波當然離不開天線，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小巧的航天飛船里送上太空的呢？原來，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，裝入航天飛船里。當天線在太陽光的照耀下溫度升高到記憶溫度時，天線的記憶力被喚醒了，恢復(fù)成“出生”時的樣子。

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自動開閉器。當溫室溫度升至25℃時，窗戶自動打開，當溫度降至18℃時，窗戶自動關(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，但當它被穿到身上時會自動恢復(fù)原來的形狀。