聪明的智能材料

童　民

何谓智能材料

所谓的智能材料就是要具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，能根据不断变化的外部环境和条件，及时地自动调整自身结构和功能，并能相应地改变自身的状态和行为的材料。简单地说，就是智能材料要具备“发现故障”和“自我修复”的功能。但是，现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。智能材料系统要具有或部分具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力、自我调节能力等。

不要以为智能材料离我们很远，其实我们熟悉的变色太阳镜中就含有智能材料。这种智能材料能感知周围的光线强弱，当周围的光很强时，就自行变暗，当光较弱时，就变得透明起来。不久以后，智能材料将普遍地在我们的生活中出现，如智能服装会自动调节大小、颜色和温度；变形建筑允许主人按一下键就能改变自身的形状，智能窗户会自动调节光线，智能墙壁可以变换颜色，房间和屋顶也能根据需求而扩展、收缩甚至改变外形。

会“报警”的智能材料

有一次，美国一架大型客机发生坠机事件，机上的270名乘客全部丧生。经过检查，原来是发动机上的一个小小螺钉断裂造成机毁人亡。人与动物生病都有前兆，可以及时进行预防、医治，但飞机即使裂开了口子，也不会喊痛。于是有人设想：如果飞机在刚出现裂纹还没有断裂之前，自己能大呼“救命”，向人类发出警报，或者在出现裂纹后，自己能立即自动修补并加固，不就可以避免机毁人亡的悲剧了吗？

为了达到这个目的，曾有科学家设想在制造机翼的高性能复合材料中嵌入细小的光纤，这些纵横交错的光纤就如同机翼的神经，可以感受到机翼上承受的不同压力。通过测量光纤传输光时的各种变化，就能测出飞机机翼承受的不同压力。当异常情况发生时，光纤发生断裂，光传输中断，报警装置便发出警报，以便机组人员及时采取防范措施。科学家还设想，可以将一种智能材料薄片贴在机翼上，形成机翼的“智能皮肤”。这种智能材料的覆盖层可根据飞行员发出的电脑指令改变外形，一旦飞机的升降舵和方向舵失灵就可取代它们，使飞机能继续正常飞行。

会“修补”的智能材料

2006年8月5日，巴基斯坦马尔丹市，当人们聚集在一座大桥上看洪水时，大桥突然坍塌，至少有60人在这起桥梁坍塌事故中被淹死。这种事故多数是因材料发生疲劳断裂而引起的。为了不让惨剧再度上演，在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自行诊断其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。

在这方面，英国伊利斯诺大学科学家的研究已经有了成效。他们研制出的一种新型智能混凝土，不是由水泥、沙石加水搅拌而成，而是把大量的空心纤维埋于混凝土中，空心纤维里面装满了“裂缝修补剂”。一旦公路、桥梁或高层建筑开裂，空心纤维也随之开裂，修补剂便从中流淌出来，自行填补在开裂的地方，使之愈合。

会“说话”的智能材料

英国科学家还在研制一种能让残疾儿童借助它“说话”的智能化衣料。目前，该研究组织正在把大部分精力投入医疗保健应用领域，用这种布料制成的马甲帮助残疾儿童（如孤僻或脑瘫痪者）与他人交流。这些儿童只需简单地轻拍外衣上不同的部位，就可以传达不同的信息。信息通过红外信号传给声音合成器或电视屏幕。

这种材料是用普通的布料和一种独创的导电网状饱和碳纤维制成。当布料受压时，通过导电纤维的低电压信号发生变化，一个简单的电脑芯片就可以精确地指出面料的哪个部位被触摸。它还可以触发任何与其相连的、体积不超过两个火柴盒大小的电子设备。这种材料可以洗涤，裹在别的东西外面或者揉搓都不会损坏，它可以低成本地大批量生产。该材料也引起了艺术家的兴趣，期望能利用它非凡的特性带来艺术上的创新。

会“治病”的智能材料

在医疗方面，智能材料还被应用于药物自动释放系统上。日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，该聚合物会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助这一特性，这一聚合物可制成人造胰脏细胞。这种聚合物包封的胰岛素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作，血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人的血糖浓度就会始终保持正常的水平。

由于导电有机聚合物在微电流刺激下可以收缩或扩张，因而具备将电能转变为机械能的潜力。这类导电聚合物组成的装置，在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张/收缩能力。因此，它们有着广泛的潜在用途，在诸如机器人（如轻型齿轮、杠杆、风挡雨刷等）、假肢装置和微型泵等方面可以一展身手。目前，澳大利亚智能聚合物研究所主要在两个项目上取得了一些进展。其一，澳大利亚智能聚合物研究所成功开发了更有序的聚合物装置。该装置可以产生比天然肌肉多15倍的力，计算显示，这种导电聚合物纤维最终将可以产生1000倍于天然肌肉的应力。第二项进展为第一台基于碳纳米管的聚合物致动器。这种致动器包括高度有序的纳米管，当电荷加到纳米管上或从纳米管上卸去时，这些纳米管能作出快速的尺寸改变。

有记忆功能的智能材料

有一种神奇的材料能记得自己“出生”时的样子，不管人们将它弄成什么样子，只要环境温度达到某个点，它就会“想起”自己‘出生时的模样，并恢复本来面目。这种现象被科学家称为“形状记忆效应”，具有这种效应的合金则被称为“形状记忆合金”，或称“记忆合金”。

各种卫星通过无线电波将信号传送到地球上，发射无线电波当然离不开天线，令许多人不解的是，卫星的天线直径一般有数米，而且形状各异，那么，这些天线是如何被装进小巧的航天飞船里送上太空的呢？原来，这种天线很多都是用具有记忆功能的合金材料制成的。直径数米的天线制成后，降低温度将其压成一小团，装入航天飞船里。当天线在太阳光的照耀下温度升高到记忆温度时，天线的记忆力被唤醒了，恢复成“出生”时的样子。

除了用于制作卫星天线外，还有人用记忆合金制成了温室窗户自动开闭器。当温室温度升至25℃时，窗户自动打开，当温度降至18℃时，窗户自动关闭。用记忆合金作支撑架的服装也很有特色，服装在水中可以任意揉搓清洗，但当它被穿到身上时会自动恢复原来的形状。