有感知反應的智能材料

20世紀90年代初，在美國弗吉尼亞理工學院和弗吉尼亞州立大學掛出了一個“智能材料研究中心”的牌子．科學家們正在研究各種辦法，試圖使飛機上的關鍵結構具有自己的“神經系統”、“肌肉”和“大腦”，使它們能感覺到即將出現的故障，并及時向飛行員發出警報。他們設想的辦法是，在高性能的復合材料中嵌入細小的光纖，這種縱橫交錯布滿在復合材料中的光纖就能像“神經”那樣感受到機翼上受到的不同壓力。這是因為通過測量光纖傳輸光時的各種變化，就可測出飛機機翼承受的不同壓力。在極端嚴重的情況下，光纖會斷裂，光傳輸就會中斷，于是就能發出即將出現事故的警告。

　　這家“智能材料研究中心”的科學家還研究一種能自動減弱某些振動的飛機座艙壁智能材料，以便使飛機能安全、平穩地飛行。他們采用的方法是，利用裝在機艙壁內的壓電材料，使艙壁振動的方向正好和原來的振動方向相反，這樣就等于消除了座艙壁和窗框產生疲勞斷裂的根源。

　　現在．一些用智能材料制成的智能系統已悄悄走進了人們的日常生活。例如，具有自動調節功能的汽車懸架可以識別路面變化，并相應改變自身的剛度，以減少車體行駛中的顛簸，使乘客乘坐舒適，智能滑雪板感覺到振動后，馬上就會產生減振的反作用力，增強控制能力。

　　在不久的將來，當你把鑰匙插進家門的鎖孔時，家中的微波爐會自動打開。如果用電腦芯片，這是簡單之極的事情。但如果用一塊冷冰冰的混凝土、一片玻璃或一卷塑料紙，又會怎樣呢?

　　科學家們開始給這些無感覺的材料和物質注入一些智能。這樣，混凝土就能發現地面或橋面的裂縫，并能自動修補好。當夏日的陽光照在窗戶上，窗玻璃能立即使光線變暗，而且還能改變顏色……

　　但是，科學家們當務之急是開發出能對橋梁、建筑物和飛機機體等人類生活中造價高昂的物體結構受到的破壞發出早期警報的智能系統。而這些智能系統需要使用不同功能的智能材料。這些智能材料有三種基本類型：

　　①由遇到電和磁場后能夠擴大、縮小或彎曲的物質構成的，如陶瓷或薄膜等壓電材料。它們受到擠壓后會產生電壓，或者反過來說，在施加電壓時會發生彎曲。用壓電材料制成的壓電傳感器可用在手槍槍柄上，這種手槍只有在查明主人手握槍柄時特有的壓力形式“標記”后才能開火。這種材料的靈敏度很高，甚至用壓電聚合物或凝膠制成的人造肌肉和皮膚已能在試驗中“讀出”盲文。

　　②壓電材料雖然能在干分之幾秒內作出反應，但它們的大小、長短變化有限。因此，科學家將壓電材料和叫做“形狀記憶合金”的第二類智能材料搭配起來使用。這樣，它們即使在變形程度達到15％的情況下，也能“記住”先前的外形，通過加熱即可恢復。

　　③第三類智能材料包括電或磁的流變體。這種神奇的液體在遇到電流或磁場時會改變它的流動性能。當它處于常態下，可以毫不費力地用勺子攪動；但是當其中有電流穿過時，它會突然間變得像混凝土一樣粘稠。利用這種液體的如此奇特性能，可以制造出新型的汽車懸架和傳動裝置，以及減振系統和可變阻力的健身器械。

　　科學家們還在研制新的智能材料，并能使它們與有生命的物體一樣敏感。他們希望給從墻壁到飛機機翼的所有物體裝上用特殊材料制成的眼睛，大腦和肌肉．

　　這里所說的眼睛，是利用光導纖維制作的，已用它探測飛機機身及機翼的變形，以便及時發出報警．光纖“眼睛”現在已被用于監視橋梁的安全．科學家還研制了一種變色玻璃“眼睛”。這種變色玻璃不像太陽鏡那樣對強光作出反應，而是對某些具體的化學物質作出反應。由于加入了酶及其他蛋白質，這種玻璃在含有某些化學物質的環境中會出現不同的顏色，因而可用它監測環境污染。

　　通常，智能裝置中的’大腦”指的是集成電路．科學家們正在研究給平淡無奇的混凝土賦予智慧，就好像給它裝上大腦一樣，讓橋梁和公路能自己修補裂痕．一種設想是，把抗腐蝕的亞硝酸鈣加入遇到腐蝕液(例如鹽水)便會衰變的纖維內，這樣可在任何需要的時候便能自行修補；另一種設想是，使含有密封劑的纖維遍布整個結構，一旦出現裂縫，纖維也會被撕破，放出密封劑進行修補。

　　人的二頭肌在感覺到電脈沖時會收縮，壓電材料的作用原理就和這種“肌肉”相似，被稱做智能材料的“肌肉”。當將壓電材料這種“肌肉”裝在飛機機身壁內，在飛機飛行中遇氣流時，受氣壓作用的壓電材料就會產生電流，并發生振動，其振動方向與氣流引起的噪音的振動方向相反，從而抵消和減弱噪音。同樣，壓電材料可用來降低汽車、橋梁、潛水艇，衛星以及空間站的振動。

　　智能材料的潛力很大，應用還在不斷擴展。例如，可將智能材料用來建造工廠的煙囪，當煙囪排放的煙氣超過污染規定時它就改變顏色，從而監視對大氣的污染。又如，在修筑冬天結冰的路面時加入智能材料，這種公路一旦結冰，路面就會變色，以提醒司機行車注意．

　　在未來的新世紀中，智能材料將會大放異彩，創造出人間的奇跡。