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境（包括內環境和外環境）刺激，能根據不斷變化的外部環境和條件，及時地自動調整自身結構和功能，并能相應地改變自身的狀態和行為的材料。簡單地說，就是智能材料要具備“發現故障”和“自我修復”的功能。但是，現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合構成一個智能材料系統。智能材料系統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、響應功能、自我診斷能力、自我修復能力、自我調節能力等。

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，如智能服裝會自動調節大小、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，智能窗戶會自動調節光線，智能墻壁可以變換顏色，房間和屋頂也能根據需求而擴展、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生墜機事件，機上的270名乘客全部喪生。經過檢查，原來是發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，可以及時進行預防、醫治，但飛機即使裂開了口子，也不會喊痛。于是有人設想：如果飛機在剛出現裂紋還沒有斷裂之前，自己能大呼“救命”，向人類發出警報，或者在出現裂紋后，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，曾有科學家設想在制造機翼的高性能復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，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。當異常情況發生時，光纖發生斷裂，光傳輸中斷，報警裝置便發出警報，以便機組人員及時采取防范措施。科學家還設想，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飛行員發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。這種事故多數是因材料發生疲勞斷裂而引起的。為了不讓慘劇再度上演，在建筑方面，科學家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設施以及地下管道等能自行診斷其“健康”狀況，并能自行“醫治疾病”的材料。

在這方面，英國伊利斯諾大學科學家的研究已經有了成效。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療保健應用領域，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的導電網狀飽和碳纖維制成。當布料受壓時，通過導電纖維的低電壓信號發生變化，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。它還可以觸發任何與其相連的、體積不超過兩個火柴盒大小的電子設備。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。該材料也引起了藝術家的興趣，期望能利用它非凡的特性帶來藝術上的創新。

會“治病”的智能材料

在醫療方面，智能材料還被應用于藥物自動釋放系統上。日本東京女子醫學院已經推出一種能根據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，因而具備將電能轉變為機械能的潛力。這類導電聚合物組成的裝置，在較小電流刺激下同樣表現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了更有序的聚合物裝置。該裝置可以產生比天然肌肉多15倍的力，計算顯示，這種導電聚合物纖維最終將可以產生1000倍于天然肌肉的應力。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，只要環境溫度達到某個點，它就會“想起”自己‘出生時的模樣，并恢復本來面目。這種現象被科學家稱為“形狀記憶效應”，具有這種效應的合金則被稱為“形狀記憶合金”，或稱“記憶合金”。

各種衛星通過無線電波將信號傳送到地球上，發射無線電波當然離不開天線，令許多人不解的是，衛星的天線直徑一般有數米，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，恢復成“出生”時的樣子。

除了用于制作衛星天線外，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原來的形狀。