敏感材料不寻常

窦光宇

敏感材料又称智能材料，是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

具备多种仿生功能

敏感材料的构想来源于模仿大自然中生物的一些独特功能，以便制造人类更为理想的工具和各种用具。因此，各种不同种类的敏感材料，均要具备感知、驱动和控制三个基本要素。具有或部分具有如下功能和特征：1．传感功能。能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射的强度及其变化。2．反馈功能。可以通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。3．信息识别与积累功能。能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。4．响应功能。能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地做出相应的反应，并采取必要行动。5．诊断功能。能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。6．修复和调节功能。通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，修补某些局部损伤或破坏。对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，相应改变自身状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。

随着应用领域的不断扩展，对敏感材料的要求越来越复杂。而一般的单一材料则难以满足需要，这就需要采取复合的方法来加以解决。一般来说，复合敏感材料由基体部分、传感部分、驱动部分和信息处理器构成。基体部分担负着承载作用，一般选用轻质材料或高分子材料，具有重量轻、耐腐蚀等特征。传感部分的主要作用是感知环境变化，包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等，常用电流变体、磁流变体和液晶材料。驱动部分担负着响应和控制的任务，常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。这些材料既是驱动材料又是敏感材料，起到了身兼二职的作用，在复合功能中的作用也非同一般。

高新领域显示身手

目前，敏感材料主要用于飞行、航天等高科技领域。由敏感材料制成的各种结构，可用于测量内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，能够对结构进行监测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构，可对机翼、机架以及可重复使用的航天运载器，进行全寿命期的实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统，采用光纤智能结构实时探测，不仅可以得到由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤的情况，还能够对损伤程度进行评估和自诊断，及时反馈到指挥系统，以便采取有力对策。

敏感材料用于航空、航天系统，可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高可靠性。美国国防研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，通过改善旋翼的空气动力学性能，大大减小了振动和噪音。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，由压电陶瓷、形状记忆合金和磁致伸缩等新型材料制成。用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能；用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。

利用敏感材料还可以为飞行器增添环境自行适应结构。自体愈合机翼可以像生命有机体一样可伸缩和有反应能力。多用途轰炸机，既可充当敏捷喷气战斗机，又可变成成群的微型无人驾驶航空器。实现这些航空航天科技项目的重大突破，核心技术就是敏感材料。美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85％。波音公司和麻省理工学院联合研究开发的一项新课题，通过在桨叶中嵌入智能纤维，可以使桨叶扭转变形。美国国防部和航空航天局研究的自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型、控制面造型等许多新设计和新工艺，工作性能更为优异。现在，形态工程科学家所设想的机翼，使用“形态记忆”合金和其他新型材料，可以弯曲产生新的形状，也可以根据指令而展开。一旦提供足够的能量后，无论变换成为任何形状，都可以最终恢复成原有的状态。不久的将来，用敏感材料制成的飞机机翼，可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。

现代医学当好帮手

敏感材料在现代医学中发挥了重要作用，已经成为人类战胜危难疾病的得力帮手。

意大利比萨大学的科研人员，研制成功一种人造皮肤敏感材料，这种材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种敏感材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等。这种生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉，所以，应用于人体组织的修复具有与生物体的相容性。随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。

在药物自动投入系统上，科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平。

敏感材料可以制成有效的抗癌药物“导弹”，其中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。

20世纪90年代后期，科学家研制出癌症温热疗法用针。这种先进的治疗用具，采用对电磁场敏感的铁氧体、包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成。通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种治疗工具会发生弯曲变形现象；其后，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，温热治疗针产生一定热量，致使癌变区得以萎缩。

促进生活更加舒适

墙壁可以随心所欲的变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险：可视电话带有传感功能……

德国斯图加特大学研究人员，发明了一种以太阳能为能源的新型化学纤维敏感材料，可将手机和电子记事本直接在衣服上接通。现在，这种高科技衣服已研制出样品，敏感材料新纤维和袖珍太阳能计算器一样，由3层薄薄的硅酮材料组成，外层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子量较少的下两层材料里移动，形成电流。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，可以织入任何质地的衣料，且可在洗衣机中洗涤。

建造具有变通性和智能性房屋，需要使用多功能砖，这种新型建筑材料由若干个分层构成。通常情况下，第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙体的功能：第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道，第三层是输送通道，可以用来输送水和其他材料。此外，住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。面膜可以算作是砖材的最上层，但设置及构形并不是一成不变，比较容易剥离。这样，更便于人们根据需要更换新的面膜。

在未来的厨房里。利用敏感材料制造的餐具不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状。此外，它还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。用敏感材料制作的座椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。

采用敏感材料装修的卫生间，会使人感到十分便捷。洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态供人们选择。抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化，坐垫自动加热至舒适的温度。整个结构无论安装在室内的任何地方，都能解决上下水的问题，淋浴设备的水温和水流得到自动控制和调节。(文章代码：0809)

[责任编辑]庞云