精通“72变”！掌握“36技”！智能材料：开启材料科学发展的重大革命
在人们眼里,被大量利用的各种材料（钢筋、混凝土、塑料、纤维等）可能是最“笨”的东西。它们只能被人所感知，自己无从感知外界情况：在出现“危机问题”时，它们不能告诉人们，也没法修理自己，只能“坐以待毙”。但是随着都市化进程的加快，道路、桥梁、建筑物的安全成了人们越来越关注的问题。人们不由地想：如果桥梁、建筑物，甚至在空中飞行的飞机，在其材料断裂发生事故之前若能发出预警，甚至能自行修补缺陷，那将会给人以极大的安全感。这一设想能否实现呢？为了达到这个目的，科学家们提出了智能材料的构想，尽管现在仍处于萌芽阶段，但人们已经看到了它的巨大潜力。
智能材料（Intelligent material），又称“敏感材料”，由日本高木俊宜于1989年首次提出，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。具体来说，智能材料是一种能够感知外部刺激，并对刺激进行分析、处理、判断，采取一定措施进行适度响应的新型功能材料。智能材料具有传感、反馈、信息识别与积累、响应四大功能，以及自诊断、自修复、自适应三大能力。智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。按照智能材料自感知、自判断、自执行能力进行分类，可分为自感知（传感器）智能材料、自执行（驱动器）智能材料、自判断（信息处理器）智能材料3种类型。- 自感知（传感器）智能材料能感知外界条件和刺激并有传感作用，但仅能感知无自动调节功能，如压电材料、光导纤维、电流变体、磁流变体等。
- 自执行（驱动器）智能材料具有传感器与执行器的作用，不仅能感知外界环境的刺激，还能对刺激做出响应，并与特定的环境相协调，如形状记忆材料、光热致变色材料、相变材料等。
- 自判断（信息处理器）智能材料又称适应型智能材料，是目前最先进的智能材料体系，除对外界环境刺激能感知和响应外，还能自动调节以适应外界环境的变化和刺激，最终实现自我调节、自我修复功能，如形状记忆智能材料等。
表：常见智能材料性质特性和应用
形状记忆合金（SMA）是具有形状记忆效应、集感知和驱动功能于一体的金属材料。形状记忆效应是在母相状态下加工成一定形状的形状记忆合金冷却到马氏体相状态下，施加外力发生一定程度变形后去除外力，再将该变形合金加热到母相状态后其形状得到恢复的现象。形状记忆合金之所以具有变形恢复能力，是因为变形过程中材料内部发生的热弹性马氏体相变。形状记忆聚合物（SMP）一般分为固定相（弹性域）和可逆相（转变域）。固定相是决定着聚合物宏观形状的网络，可逆相是决定分子开关的分子链。当受到外部刺激时，聚合物温度高于其玻璃化转变温度（Tg） 或者熔点以上，此时对聚合物施加外力，固定相不变，可逆相发生软化，材料在外力作用下改变了原有形状，随后人为地使聚合物温度迅速降至Tg或熔点以下，此时聚合物形状保持不变内部的应力也被冻结起来。当受到外界刺激，聚合物温度再次升高时，可逆相重复软化过程，释放原本冻结的应力，聚合物逐渐变成原来的形状。在无外加电场的情况下，电流变液类似于通常的液体，而当外加电场强度不断增大，其黏度也会随之增大。当场强增大到一个阈值时，电流变液的流变特性会发生迅速、可逆的转变。简单来说，就是不加电场是液体，加电场就变成固体，撤掉电场又变回液体。原理的话，现在一般认同介电理论模型， 在强电场作用下发生诱导极化，形成偶极子，相邻偶极子之间由于静电力相互吸引形成链状结构，随着电场的增大链状结构变成柱状结构, 对外呈现出较强的屈服强度。
跟电流变液原理相近，只不过把绝缘油（一般是硅油等）换成了固体的基质硅橡胶（PDMS），解决了ERF的漏液和不稳定等问题。加电场后是一个剪切模量的变化，等于电场控制了这个材料的软硬程度（但注意不是指硬度）。ERE整体是固体，弹性体，所以particle的活动性不如ERF的大，而且又分为各向异性ERE和各向同性ERE。跟电流变智能材料效果差不多，区别在于分散相颗粒不同，而且加的是磁场。这四类智能材料的应用场景很相似，也比较广，传统的应用包括阻尼器、离合器、抓取执行器等等，后来又发展出的应用包括土木工程中的振动调节、软体仿生机器人、柔性传感器、柔性可穿戴设备、声子晶体等等。
以哈工大Jiaqi Zhu, Peng Wang等人做的一个自我修复高分子材料为例。他们以氨基改性PDMS和1,4-二甲酰基苯（DFB）为原料，采用简单的方法制备了一种基于亚胺键的透明可固化PDMS（HPDMS）弹性体。DFB可以充当交联剂并提供自愈点。PDMS侧链上的活性胺基容易与DFB的醛基反应形成可逆的亚胺键。基于Schiff base linkage的可逆亚胺键是影响骨折自愈能力的一个关键结构因素，它能促进骨折表面的接触，在室温下无需任何外界刺激即可实现快速、可重复的自愈。压电材料是一种受到压力之后两个端面之间会产生电压的材料，这是与原子（分子、离子）尺度的排列有关的，受到外力作用发生形变时，材料晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体会发生宏观极化，也就是压电。如果压力是高频的振动，则压电效应产生的就是高频电流。而相反，逆压电效应就是对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。压电材料包括压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶）和压电高分子等，可以应用在换能器（例如扬声器）、驱动器（例如机器人部件）、传感器（例如压电指纹传感器）等等方面。很多材料有这种效应，不过大部分效应很小，而且大部分是“缩”，“伸”的很少。电介质置于电场中时，它的分子发生极化，沿着电场方向，一个分子的正极与另一个分子的负极衔接。由于正负极相互吸引，使整个电介质在这个方向上发生收缩，直到其内部的弹性力与电引力平衡为止。光响应液晶高分子材料通常是用偶氮苯填料制成的。有两种效应：纳米尺度上的协同运动，其中小部分分子改变其取向，促使其他分子也这样做，有效地放大了信号由压力梯度和干扰光产生的不均匀异构化模式驱动的微尺度宏观运动。前者现在广泛应用于平板显示器和低成本高密度光学数据存储应用，稳定，响应时间快，成本低。后者在微型执行器中有更大的用途，大多数执行器呈薄膜状。目前，全球智能材料产业正处于爆发式增长期。随着医疗、建筑、仪表仪器、自动化、机器人、航空航天、电磁电子设备、各类传感器、驱动器和显示器等领域对智能材料的需求不断增加，使得其市场规模呈现出爆发增长态势。据统计，2010年全球智能材料产业市场规模约为200亿美元，2018年大约为522亿美元。根据Grand View Research预计，到2025年全球智能材料市场规模将达到982亿美元，2010年至2025年复合年均增长率将达到11.19%，呈现出良好的发展势头。图：全球智能材料市场规模（单位：亿美元）
当前，日本、美国、欧洲等智能材料发展始终处于世界的前列。Smart Material、美国冶联科技、Johnson Matthey、富士陶瓷株式会社、株式会社村田制作所、新日本制铁公司、LORD、Edge Technologies、Feredyn AB、日本住友轻金属工业株式会社等公司，长期垄断全球智能材料前端技术的第一方阵。比如，在研制使桥梁、大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料方面，美国伊得诺大学的研究已初见成效，该大学建筑研究中心的卡罗琳·德赖开发出了两种“自愈合”纤维，这两种纤维能分别感知混凝土中的裂缝和钢筋的腐蚀，粘合裂缝的纤维是用玻璃丝和聚丙稀制成的多孔中空纤维，将其渗入混凝土中，在混凝土过度挠曲时，它被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。德赖开发的另一种纤维能感知造成钢筋腐蚀的酸度。若把这种纤维包在钢筋周围，当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层溶解，从纤维中释放出阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。此外，在其他各领域也兴起了研制智能材料的热潮。在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料。当飞机在飞行中遇到湍流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除湍流或逆风的影响，使飞机仍能平稳飞行。这方面的研究还未获得实质性的进展，现在只是有人设想将光纤埋入机翼中，正常情况下，光能通过光纤从机翼的一侧传到另一侧，当机翼出现应力或裂痕时，经光纤传播的光线的位置会偏离，甚至光还可能被遮断。根据传播光线的变化，计算机可以算出机翼中的应力或劈裂状况，从而向驾驶员进行险情预报。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此报警。与国外先进水平相比，我国智能材料产业发展处于起步阶段，产业离大规模实用化、商品化尚有一段距离。一方面，国内智能材料主要零散分布于功能材料产业或结构材料产业之中，智能材料产业发展不足、市场影响力较弱。另一方面，国内智能材料领域缺乏具有行业影响力的龙头企业。目前，国内紫光股份、乐普医疗、有研硅股、先锋新材、安泰科技、时代新材、冠昊生物等上市公司虽然涉足智能材料领域，但都是以兼营为主，智能材料只占其较小的市场份额，龙头企业影响力和引领作用不明显。智能材料应用范围较为广泛，主要应用于电机、驱动器、传感器、功能材料、探头等，并由此最终实现在航空航天、汽车工程、医疗器械、机械工程、消费终端等领域的应用。其中，智能材料应用于电机和驱动器市场中占比高达71%、传感器占比达15.8%、结构材料占比为7.8%、探头的市场占比达5.2%。图：智能材料应用领域
传感器是智能机器人智能化的重要支撑，智能材料的发展使得传感器具备自诊断、记忆与信息处理、数据存贮、多参量测量、联网通信、逻辑思维以及判断等功能，推动机器人朝微型化、多功能化、智能化等方向发展。其中，形状记忆合金、压电材料等智能材料，在智能机器人的传感器中应用广泛。形状记忆合金制作的热机械动作元件具有体积小巧、结构简单、控制方便、成本低廉等优点，被广泛应用到机器人手足、触觉传感器、机器人元件控制器及筋骨动作控制等核心部件中。压电材料的“压电效应”可以将压力转换成电信号，使得机器人产生触觉。例如，人造皮肤智能材料可清晰地分辨出外部环境（如温度、热流等）的细微变化，亦可很好地区分出表面状况（如粗糙度、摩擦力等）的不同。图：人造皮肤在机器人中的应用
慕尼黑工业大学(TUM)的Gordon Cheng教授及其团队开发了一种将人造皮肤与控制算法结合在一起的系统，并用它创建了第一台具有全身人造皮肤的自主人形机器人。机器人的上身、手臂、腿部、脚底装有13000多个传感器和微处理器，每块大小约为2欧元硬币(即直径约1英寸)，可检测接触时的加速度和温度等，使机器人能够像人一样感觉到身体接触，并对接触做出反应智能材料为智能纺织服装的开发奠定了良好基础。智能纺织服装将高技术传感器（或敏感元件）与传统结构材料（或功能材料）结合，可感知环境变化并做出相应的调整。近年来，智能调温纺织材料、智能形状记忆纺织材料、智能变色纺织材料、电子信息智能纺织材料等系列智能纺织材料的研发与应用，使得智能调温、形状记忆、智能变色、电子信息等智能纺织服装从理论走向现实。例如，Hexoskin推出的智能T恤配备蓝牙装置，可以实时追踪用户的运动量，并将记录的原始数据发送到手机APP进行分析。其中，白天可以监测心率及其变化、用户行走的步数、消耗的卡路里情况以及呼吸数据；晚上可以检测用户睡眠环境，包括睡眠质量、睡姿、呼吸、心跳活动。图：Hexoskin智能T恤
智能材料在汽车领域的应用已取得大量的成果。例如，形状记忆合金用于进行电池管理、发动机温度控制、车门解锁、结构健康监测等；磁流变材料用于汽车减振器、碰撞吸能保护器件、发动机悬置等。其中，采用多种智能材料打造的结构健康监测（SHM）可在线探测结构损伤和老化信息，对结构进行评估、故障诊断和剩余寿命预测，有助于提高结构或设备的安全可靠性、降低维护成本、延长使用寿命。随着汽车设计越来越强调安全、智能、轻质化发展，结构健康监测系统是未来汽车发展的重要方向。例如，德国宝马汽车公司在某新型复合材料车身的研发阶段，将压电材料埋入复合材料结构中，用于监测其结构在制造和使用过程中的损伤。一是智能程度更高。目前，智能材料主要集中于压电材料、形状记忆合金、智能流体材料等领域。随着智能材料研发和产业化的不断深入，将研发出更多类型的智能材料，也将推动现有智能化程度不高的材料不断得到改进、提升、升级，由此形成功能更齐全、智能化程度更高、种类更丰富的智能材料。二是应用领域更广。目前，智能材料主要应用于航天航空、机器人、工业生产等领域，而未来将在智健康医疗、4D打印、建筑结构等领域应用更加广泛，遍及生产生活各个方面。以智能建筑为例，使用智能材料能够感知建筑外力、震动、温度、裂纹等变化，并提前预报、自适应调整、自修复补救等，减少和规避危险发生。三是交叉融合更强。目前，部分智能材料的应用仅从单个材料的智能特性进行开发，使得智能材料的应用范围受到限制。未来智能材料与其他学科交叉融合将会更强，将涉及材料、机械、力学、信号识别、自动控制、电磁学、计算机技术等多个领域，由此开发出集成度更高、功能更齐全、使用更便捷的智能系统部件，使得智能材料应用范围不断拓展。
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