智能材料“懂你的歡喜”

材料是人類生活和生產的基礎，研究者一般將其劃分為結構材料和功能材料兩大類，對結構材料的研發主要要求其機械強度，而對功能材料的要求則側重于其特有的功能。智能材料的概念最早由日本高木俊宜教授在1989年提出，是指能夠感知環境變化，并通過自我判斷和結論而實現和執行指令的材料。其不同于傳統結構材料和功能材料，它模糊了兩者之間的界限，由于它功能特殊，使得逐漸發展出結構功能化、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格，目前的概念即是指在材料系統或結構中，可將傳感、控制和驅動三種職能集于一身，通過自身對信息的感知、采集、轉換、傳輸的處理，發出指令，并執行和完成相應動作，從而具有模仿生物體的自增值性、自修復性、自診斷性、自學習性和環境適應性。智能材料在目前文獻中的提法大都為機敏材料（Smart Materia1）、智能材料（Intelligent Materia1），而機敏結構（Smart Structure）、自適應結構（Adaptive Structure）、智能結構（Intelligent Structure），則是指將感元件、驅動元件和控制系統結合或融合在機體測量中而形成的一種器件復合結構。

智能材料的基礎是功能材料。功能材料通常可分為兩大類，一類被稱為驅動材料，它可以根據溫度、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、內耗或結構等性能，因而對環境具有自適應功能，可用以制成各種執行器；另一類被稱為感知材料，它是指材料對于來自外界或內部的刺激強度及變化（如應力、應變、熱、光、電、磁、化學和輻射等）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組元通過有機緊密或嚴格的科學組裝而構成的一體化系統，是敏感材料、驅動材料和控制材料（系統）的有機合成。

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變能力來分類，其系統龐雜而難于理解，圖一是按照智能材料功能區分匯集的圖表資料，第一類是改變性能，第二類是改變能量。

由于智能材料的優異性能，同時在許多高新技術領域都具有巨大的潛力和應用前景，使之一直成為許多技術發達國家的優先發展項目，并在國防、軍事、醫療、航天、交通、水利眾多方面都被廣泛關注和研究，成果有些已經被利用在實際工程中，有些已經在實驗室獲得突破。然而在建筑方面的應用，智能材料基本還停留在記憶合金和壓電材料對結構振動的控制、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建筑這個前沿課題方面的應用。

智能材料應用——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生物理形變的聚合物材料，其顯著特征是能夠將電能轉化為機械能。電活性聚合物驅動器具有應變高、柔軟性強、質輕、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度，這些性能已經超過了肌肉，被公認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可以產生的應變比電活性陶瓷大兩個數量級，并且較形狀記憶合金的更快響應速度及固有的振動阻尼性的優異性能，使其在醫療、宇航員和士兵的增力外骨架、微型仿生飛行機器上有無可估量的應用前景。

離子電活性聚合物復合材料（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分布，一旦施加電場，離子向聚合物的陽極一側聚接觸，并造成聚合物的一側彎曲。

電活性聚合物在建筑上的應用還停留在實驗室和概念階段，2010年底蘇黎世聯邦理工大學（ETHZ）的建筑系和瑞士聯邦材料科學實驗室的聯合研究項目，形變（Shape shift）——走向軟質建筑，研究了如何應用EAP來構建一個可動態地適應外部環境的輕質結構系統。

整個系統基于一個多層復合菱形單元，由上至下的材料層分別是：硅絕緣層、傳導粉末層、5X5預應力合金聚合物薄膜、傳導粉末層、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薄膜以持續的、可控的變形表現出良好的可操作性和穩定性，使結構的變形可控、可逆變，并具有一定的強度和阻尼性。

菱形的EAP單元通過不同的組合方式可以形成空間結構體系，通過電壓可控制單個或多個單元的變形，從而達到整體空間結構的多種形式的轉化，并同時保持結構的一定剛度。然而該項目專注于結構性能的研究，要應用于實際工程項目，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用、預筑、加工、產品化、施工、維護、操作、造價都需要考慮和研究。

我們可以預想下一代張拉膜結構會變得更加智能，擁有更加豐富的形態和外觀，同時更加適應外環境。目前，商業化的智能材料廠家和傳統建筑材料廠家很少。

智能材料應用——電介彈性復合材料

電介彈性復合材料（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生極大的應變和彈性能。近來的研究顯示高380%應變也得以突破，這使得DE成為高性能電制動器（Actuators）的理想材料，被廣泛應用在微型機器人和醫療器械領域。

電介質彈性體的工作原理近似于一個三明治結構的平行板電容器，彈性體膜介于兩個平行金屬電極膜之間。當在兩金屬電極上施加直流電壓時，兩電極之間產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張，撤銷電壓，彈性體薄膜將恢復原狀。

電介彈性復合材料在建筑上的應用還處于概念研究階段，2011年紐約建筑師德科雅頓（Decker Yeadon）提出了自穩定立面（Homeostatic Facade）的幕墻原型方案，旨在創造一個低能耗的、自動調節太陽熱量和采光的高層幕墻體系。電介彈性復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。

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

該系統的優點是具實時應變性，建筑隨時間更替可產生不同的美學效應，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又是驅動器，所有變化都在局部內完成。如果建筑立面為曲面，就會產生統一系統不同變化的美學效果。由于系統采用了不規則圖案的方式，采光效果未必能達到均勻和舒適，而以全覆蓋的方式應用在大型項目中時，造價控制成為難以克服的問題。另外和外遮陽系統比較，在熱帶地區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不斷向前發展的必然結果，是信息技術融入材料科學的自然產物，它的問世標志和宣告著第5代新材料的誕生，也預示著在21世紀將發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已成為材料科學與工程領域的熱點之一，很多工程領域的突破和新成果的出現都有智能材料的貢獻。

一個非常典型的案例是由NASA先進概念研究所（NIAC）設計的無人撲翼飛機，在《IEEE Spectrum》雜志上一篇題為《像鳥一樣飛翔，徹底改變飛機設計》的文章里，該方案中EAP薄膜層作為一個關鍵構件，與光伏薄膜層疊，光伏薄膜產生電能蓄到鋰電池中，以驅動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思和創興工程在智能材料研發上的應用（如TRIZ系統工程的植入），介紹一下經典的途徑：

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的加入，跨領域、多學科是必然的趨勢。計算機技術和仿真技術成為必要手段，化學、數學等基礎學科結合創新思想成為突破的關鍵。智能材料設計的研發思想可以總結為以下幾條思路：從材料設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，智能材料結合數字化設計和快速成型技術，必將帶來一場建筑設計的新革命，推動建筑朝著更加智能的方向發展。

（請作者見刊后盡快與本刊聯系）