感覺無處不在

盡管早在20世紀50年代，航空領域的專家就提出了將飛機上使用的傳感器元件與機身結構和機身材料相結合，打造出飛機智能結構的理念。但是，長期以來由于材料技術、微電子技術、微機電技術的限制，這種理念一直沒能變成現實，僅僅在取得的一些試驗性成果，距離實用化還有很大距離。然而，半個多世紀后，上述技術領域的限制已不再成為難題，更為重要的是，過去的幾十年里，航空技術的發展和應用理念也在不斷變化，加之網絡技術的快速發展，使得研制出能夠裝機應用的智能結構，也變得指日可待。

顛覆傳統的“塵埃”

不久前，來自英國的軍工制造業巨頭BAE系統公司對外宣布，該公司下屬的“先進技術中心”（Advanced Technology Centre）的研究人員正在研究一種全新的飛機智能蒙皮概念——直接在飛機的蒙皮上嵌入數以萬計的微型傳感器，用以實時地監測飛機的飛行狀況，包括感知風速、溫度、外部物理壓力等。

這種被稱作“塵埃”的微型傳感器被，其外形尺寸不到1毫米，并且有自己的動力源，結合工作軟件后它們之間能夠進行通信，類似于人類皮膚將信號發送到大腦。

BAE系統公司表示，由于這些傳感器非常小，說以其制造和安裝也有別于傳統的機載傳感器系統。該公司目前正在探索新的方法來應用這些“塵埃”，包括像油漆一樣將其噴涂到機身上，這種方法可以確保傳感器能夠被應用到現有的飛機上，而不需要對飛機本身進行大的改裝。

噴涂完成后，這些傳感器之間會像人的皮膚一樣互相分工合作，將信號傳送至計算機，通過大數據分析后，在遠程終端處顯示實時結果。最終將實現飛機自我監視，并檢測潛在的維護問題，降低對飛機系統的定期檢查頻率。這將大大提升飛機保養效率和飛機整體的安全性，進而增加了飛機的可工作時長。

BAE公司高級研究人員表示，使用這種微型傳感器將有可能顛覆航空領域的傳統規則。在未來，噴涂有微型傳感器的“智能蒙皮”可以應對更為復雜的任務，同時減少飛機的日常維護，為創造出更為強大的空中平臺做出應有的貢獻。”

“智能結構”半世紀的研究

早在上世紀50年代智能結構理念剛提出之時，還被稱作自適應系統，當時的目標是將部分機載系統與機體材料結合，在不額外增加機身重量以及改變氣動性能的前提下，保證飛機對外界的態勢感知能力。根據實現方式的不同，智能結構可分為兩類，一是直接由智能材料制成的零部件，二是在復合材料的零部件中埋入或在其表面安裝傳感器元件、動作元件等。如在碳纖維復臺材料中埋入光導纖維和傳感器作為傳感元件，埋入形狀記憶臺金絲作為動作元件等。目前，相對而言，第二類智能結構較為容易實現，因而最為各國所青睞。上文中提到的噴涂微型傳感器之后的飛機蒙皮，即智能蒙皮，就屬于此類智能結構。

1985年，美國空軍正式提出將智能蒙皮的研究和應用納入未來發展計劃，主要應用領域包括監視、預警、隱身和通信。

與傳統機身蒙皮相比，采用智能蒙皮有這諸多的優點。

一是智能蒙皮內埋置有傳感網絡，該網絡與計算機相連，對飛行器備處應力、溫度等參量進行實時檢測，借助計算機與執行系統，動態調整飛行器的狀態，以獲得最佳的飛行性能。二是有利于飛機設計的小型化和簡單化。在傳統的設計概念中，飛機蒙皮是一種滿足氣動外形、強度和剛度要求的構造結構，而安裝傳感器就會帶來不必要的結構、氣動力、溫度和費用損失問題。使用智能蒙皮技術則有利于使設計的新型飛機趨于小型化，使設計方案更為簡單。三是將飛機的蒙皮大部分區域都裝配成智能蒙皮，可以大面積覆蓋飛機的外部特征信息，以防止地面和空中目標對其捕捉、識別和跟蹤，從而提高飛機的隱身性能。四是采用智能蒙皮，甚至智能機身結構，其中嵌入的光導纖維和傳感器，用來感覺飛機的溫度和應力，并對此作出反應。可以利用這些信息進行戰斗損傷和故障評定，從而判斷飛機是否達到結構強度的極限，記錄結構強度變化情況，以及進行非破壞性測試，可以更好地發揮飛機的性能。

在美國空軍提出“智能蒙皮”研究和應用計劃之后，美國國內多家防務公司開始投入人力展開研究。其中諾思羅普公司研制的“智能蒙皮”新型天線，可以緊緊貼在機身表面，使得整個機身成為一個巨大的發射/接受天線，從而大大提高了通信質量，并將通信距離提升了5倍。繼美國之后，法國也在80年代末開始了相關研究，并于1995年同英德兩國聯合啟動了一個研究計劃，目標就是研制可以與蒙皮結合的“共形天線”，并可用于戰斗機、直升機以及無人機領域。2002年，該項目取得突破，后來由泰雷茲公司主導完成了原型測試，2010年用于直升機的“智能蒙皮共形天線”首次裝機測試。未來該技術還將用于A400M改進的空中預警機上。

美國要突破制造技術

與傳統機載傳感器相比，“智能蒙皮”涉及材料、生物、光電技術、自動控制和計算機工程等多個領域。未來，其重點攻關方向包括研制高穩定、低成本、可單線多路復用且與基體易于融合的光纖傳感器；研制高性能可植入基體材料中的微型電子器件；繼續進行集成與控制方法研究；智能材料與結構的設計、制造、數據庫、可靠性等研究等。類似于上文中的“塵埃”微型傳感器的制造則是攻關的重點。

今年8月底，美國國防預先級研究計劃局（DARPA）宣布其正在探索方法實現從原子尺度組裝成人類尺度的產品以實現新材料和系統性能。該項目名為“原子到產品”（A2P），DARPA之所以發起這個項目，是因為很多普通材料當在極小尺度制造后會呈現出不同的、具有潛在應用的特性。

A2P的目標是研發組裝納米尺度組分將其獨特能力轉化到材料、部件或系統（至少在毫米尺度）的技術與工藝。該項目將包括不同的技術領域，按兩個等級步驟從納米邁向毫米尺度：原子到微米組裝、微米到毫米組裝。

DARPA負責該項目的經理約翰·邁恩稱。探索將極微小物體放到一起的新方法，目標是研發出新的微型化和組裝方法，該方法能夠在比現有技術小100000倍的尺度下工作。如果成功，A2P能夠幫助制造出在任何尺度下具有納米尺度特性的全新類型材料。而這會進而形成依靠當前技術無法實現的微型化材料、工藝和設備。

繼廣泛用于航空航天和國防的微機電系統（MEMS）后，納米機電系統（NEMS）已經成為各方努力攻克的微型化方向。DARPA的這項研究如果取得成果，制造和噴涂上文中提到的“塵埃”微型傳感器將變得平常。