智慧材料建造的智慧城市

“智慧城市”被定義為：利用城市應(yīng)用技術(shù)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(shù)對城市的挑戰(zhàn)。該城市在開放平臺上，可以使用共享能源數(shù)據(jù)、智能導(dǎo)航數(shù)據(jù)，甚至是公民參與決策的在線論壇數(shù)據(jù)。智慧城市的概念中體現(xiàn)了要求實時獲取大量數(shù)據(jù)，大型智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)必須在網(wǎng)絡(luò)上平均分配通信的負擔(dān)，以防止其中心的信息量超載負荷。通過開發(fā)多樣的“智能材料”，現(xiàn)在無需集中信息資源數(shù)據(jù)即可感知、處理和響應(yīng)環(huán)境情況信息，從而解決這一問題的挑戰(zhàn)。

最近的一項市場分析預(yù)測了：構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的連接設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器的數(shù)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(shè)備僅1美元。測量應(yīng)變、溫度和濕度的廉價連接傳感設(shè)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(shù)據(jù)來量化建筑環(huán)境。以時間和空間的高分辨率進行連續(xù)監(jiān)視基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的物理狀態(tài)的能力，對可持續(xù)性和公平性產(chǎn)生有利影響。數(shù)據(jù)驅(qū)動的定量決策可以代替基于直覺的、傳統(tǒng)的工作流程從而實現(xiàn)預(yù)測性維護。

《科學(xué)》報道了多功能材料可以響應(yīng)外部刺激從而顯著改變其形狀或特性。這個概念導(dǎo)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(yīng)環(huán)境的高效化學(xué)機器。此類材料經(jīng)過工程設(shè)計，可以在微觀尺度上感應(yīng)和調(diào)節(jié)其狀態(tài)，從而實現(xiàn)宏觀結(jié)構(gòu)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(fù)，以改善大型結(jié)構(gòu)的使用壽命，以支持其可持續(xù)性。例如，細菌觸發(fā)的自我修復(fù)代表了生活用膠材料中最普及的應(yīng)用。科學(xué)家已經(jīng)研究了極端嗜熱菌和工程菌，使材料具有觸發(fā)這些自我修復(fù)特性所需的自我感知能力。這些智能和生物材料用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的云計算的終端。借助低功耗傳感和響應(yīng)機制，可以檢測、解釋并作用于水泥中的化學(xué)梯度，而不會增加建筑環(huán)境中的通信和處理負擔(dān)。這一點至關(guān)重要，因為在整個智能城市中進行電子感應(yīng)和毫米級化學(xué)梯度的傳輸，以及大量的數(shù)據(jù)處理工作會導(dǎo)致數(shù)字數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的崩潰。

因為是小規(guī)模的信息，所以與整個城市街區(qū)的決策無關(guān)，因此將其限制在適當(dāng)?shù)乃缴峡梢詼p少對利益相關(guān)者（如建筑經(jīng)理和政府政策制定者）的負擔(dān)。這種方法類似于人類神經(jīng)系統(tǒng)通過控制結(jié)構(gòu)的層次和構(gòu)造，去協(xié)調(diào)數(shù)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(zhì)幫助的情況下處理數(shù)據(jù)。在材料基質(zhì)中進行計算的一個例子是光子“超材料”（內(nèi)部結(jié)構(gòu)化材料），它可以解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程式。這些設(shè)備利用衍射光學(xué)器件將材料的微觀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為無源的全光學(xué)。鑒于這些新型材料的設(shè)計和制造，下一代智能材料會以熱、光學(xué)和機械響應(yīng)作為感應(yīng)，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(xué)的建筑物上的光和熱傳感器會調(diào)節(jié)百葉窗，以優(yōu)化室內(nèi)溫度。

通過部署連接的傳感器以提供對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的實時結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控，例如橋梁、水壩、住宅和商業(yè)建筑，甚至是臨時結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大量的數(shù)據(jù)。智慧的材料會將數(shù)據(jù)處理推向無法想象的極限，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。最終增加基礎(chǔ)設(shè)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(chǎn)生的功耗。此外，智慧基礎(chǔ)設(shè)施有助于實現(xiàn)離散式云計算。

來源：Science 19 Mar 2021:

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