智慧材料建造的智慧城市

“智慧城市”被定義為：利用城市應用技術來提高居民福祉的同時減少城市化的弊端。自2014年以來，新加坡的城市已通過其“智慧國家計劃”解決了信息技術對城市的挑戰。該城市在開放平臺上，可以使用共享能源數據、智能導航數據，甚至是公民參與決策的在線論壇數據。智慧城市的概念中體現了要求實時獲取大量數據，大型智能設備網絡必須在網絡上平均分配通信的負擔，以防止其中心的信息量超載負荷。通過開發多樣的“智能材料”，現在無需集中信息資源數據即可感知、處理和響應環境情況信息，從而解決這一問題的挑戰。

最近的一項市場分析預測了：構成物聯網（IoT）的連接設備、傳感器和執行器的數量到2021年將超過460億，這主要是由于硬件成本降低至了每臺設備僅1美元。測量應變、溫度和濕度的廉價連接傳感設備以及使用計算機視覺的間接傳感能力的增強，可提供大量數據來量化建筑環境。以時間和空間的高分辨率進行連續監視基礎結構的物理狀態的能力，對可持續性和公平性產生有利影響。數據驅動的定量決策可以代替基于直覺的、傳統的工作流程從而實現預測性維護。

《科學》報道了多功能材料可以響應外部刺激從而顯著改變其形狀或特性。這個概念導致了“生物材料”的使用，該生物材料將生物有機體作為感知和響應環境的高效化學機器。此類材料經過工程設計，可以在微觀尺度上感應和調節其狀態，從而實現宏觀結構或功能的變化。智能材料或生物材料的常見功能是自我修復，以改善大型結構的使用壽命，以支持其可持續性。例如，細菌觸發的自我修復代表了生活用膠材料中最普及的應用。科學家已經研究了極端嗜熱菌和工程菌，使材料具有觸發這些自我修復特性所需的自我感知能力。這些智能和生物材料用于結構健康監測的云計算的終端。借助低功耗傳感和響應機制，可以檢測、解釋并作用于水泥中的化學梯度，而不會增加建筑環境中的通信和處理負擔。這一點至關重要，因為在整個智能城市中進行電子感應和毫米級化學梯度的傳輸，以及大量的數據處理工作會導致數字數據處理系統的崩潰。

因為是小規模的信息，所以與整個城市街區的決策無關，因此將其限制在適當的水平上可以減少對利益相關者（如建筑經理和政府政策制定者）的負擔。這種方法類似于人類神經系統通過控制結構的層次和構造，去協調數百萬個細胞的收縮，而不是有意識地處理單個肌肉纖維。

智能材料可以在沒有活性生物物質幫助的情況下處理數據。在材料基質中進行計算的一個例子是光子“超材料”（內部結構化材料），它可以解決復雜的數學方程式。這些設備利用衍射光學器件將材料的微觀結構轉化為無源的全光學。鑒于這些新型材料的設計和制造，下一代智能材料會以熱、光學和機械響應作為感應，利用自動且智能立面或太陽能跟蹤器，以提高、改進光伏能量收集的效率。如圖所示：南丹麥大學的建筑物上的光和熱傳感器會調節百葉窗，以優化室內溫度。

通過部署連接的傳感器以提供對關鍵基礎設施的實時結構狀態的監控，例如橋梁、水壩、住宅和商業建筑，甚至是臨時結構在內的大量的數據。智慧的材料會將數據處理推向無法想象的極限，實現可持續發展。最終增加基礎設施的使用壽命、減少因電子傳感器的擴散所浪費的資源以及減少通信所產生的功耗。此外，智慧基礎設施有助于實現離散式云計算。

來源：Science 19 Mar 2021:

Vol. 371, Issue 6535, pp. 1200-1201