人們對(duì)于“智能”的定義

    自從喬布斯“重新”發(fā)明了手機(jī)以來，短短幾年時(shí)間智能手機(jī)風(fēng)暴可謂席卷全球，已經(jīng)深刻改變了人們的生活方式。但是智能設(shè)備的發(fā)展不可能就此停滯，人類創(chuàng)新的步伐也不可能就此止步。依托于信息技術(shù)的智能手機(jī)，其“智能”更多的是表現(xiàn)在人與人之間的互聯(lián)，以及信息交互的便利之上，但這并不是智能的全部定義，如果智能材料能夠發(fā)展成熟并得到大范圍的推廣，將無疑能夠革新人們對(duì)于“智能”的認(rèn)識(shí)。智能材料制作的可穿戴設(shè)備，將如同具有生命一般感知每個(gè)人不同的身體特征，感知周圍環(huán)境發(fā)生的變化，甚至能夠做出反應(yīng)幫助人類。

    1、定義

    智能材料（Intelligent material），是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。

    2、構(gòu)成

    一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。

    （1）基體材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。

    （2）敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。

    （3）驅(qū)動(dòng)材料因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。可以看出，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。

    （4）其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。

    （5）信息處理器信息處理器是核心部分，他對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行判斷處理。

    3、分類

    可用于智能材料的材料種類在不斷擴(kuò)大，因此智能材料的分類方法很多。一般若按功能來分可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電 （磁）致伸縮材料等。若按來源來分，可以分為金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子能材料的應(yīng)用系智能材料。金屬系智能材料目前所研究開發(fā)的主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類；無機(jī)非金屬系智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快；高分子系智能材料的范圍很廣泛；有高分子凝膠、智能高分子膜材、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。

    4、幾種常見的智能材料

    （1）壓電材料

    壓電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的機(jī)敏材料，壓電材料主要包括無機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和壓電復(fù)合材料3類。居里（Curie）兄弟在對(duì)石英晶體的介電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)2種情況。當(dāng)機(jī)械力作用在其上時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電的極化，就是正壓電效應(yīng)。

    （2）形狀記憶合金

    形狀記憶合金是自執(zhí)行智能材料的一種。20世紀(jì)60年代美國(guó)海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鎳鈦（Ni-Ti）合金具有“形狀記憶效應(yīng)”，并以此為基礎(chǔ)研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅(qū)動(dòng)器，因其被加熱至奧氏體溫度時(shí)，可自行恢復(fù)到原形狀。其通常以細(xì)絲狀態(tài)用于智能結(jié)構(gòu)，主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應(yīng)用。目前形狀記憶材料已經(jīng)形成了相對(duì)較大的一個(gè)門類，主要分為：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。

    （3）電流變液

    電流變液也是自執(zhí)行智能材料的一種，是與磁流變體性能極為相似的混合物。這種材料在常態(tài)下是流體，其中自由分布著許多細(xì)小可極化懸浮顆粒，當(dāng)這種流體處于電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強(qiáng)度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應(yīng)快、阻尼力大、功耗小的特點(diǎn)。

    結(jié)語

    智能材料是一種集材料與結(jié)構(gòu)、智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構(gòu)成智然材料的基本材料組元有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電（磁）流變液、磁致伸縮材料和智然高分子材料等。智然材料的出現(xiàn)將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但目前距離實(shí)用階段還有一定的距離。

    今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面：

    （1）智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究

    （2）材料智然內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究

    （3）耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究

    （4）機(jī)敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)計(jì)理論

    （5）智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論

    （6）仿人智能控制理論