有感知反應(yīng)的智能材料

20世紀(jì)90年代初，在美國弗吉尼亞理工學(xué)院和弗吉尼亞州立大學(xué)掛出了一個“智能材料研究中心”的牌子．科學(xué)家們正在研究各種辦法，試圖使飛機(jī)上的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)具有自己的“神經(jīng)系統(tǒng)”、“肌肉”和“大腦”，使它們能感覺到即將出現(xiàn)的故障，并及時向飛行員發(fā)出警報。他們設(shè)想的辦法是，在高性能的復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖，這種縱橫交錯布滿在復(fù)合材料中的光纖就能像“神經(jīng)”那樣感受到機(jī)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(jī)機(jī)翼承受的不同壓力。在極端嚴(yán)重的情況下，光纖會斷裂，光傳輸就會中斷，于是就能發(fā)出即將出現(xiàn)事故的警告。

　　這家“智能材料研究中心”的科學(xué)家還研究一種能自動減弱某些振動的飛機(jī)座艙壁智能材料，以便使飛機(jī)能安全、平穩(wěn)地飛行。他們采用的方法是，利用裝在機(jī)艙壁內(nèi)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(chǎn)生疲勞斷裂的根源。

　　現(xiàn)在．一些用智能材料制成的智能系統(tǒng)已悄悄走進(jìn)了人們的日常生活。例如，具有自動調(diào)節(jié)功能的汽車懸架可以識別路面變化，并相應(yīng)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(chǎn)生減振的反作用力，增強(qiáng)控制能力。

　　在不久的將來，當(dāng)你把鑰匙插進(jìn)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(xué)家們開始給這些無感覺的材料和物質(zhì)注入一些智能。這樣，混凝土就能發(fā)現(xiàn)地面或橋面的裂縫，并能自動修補(bǔ)好。當(dāng)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(xué)家們當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)出能對橋梁、建筑物和飛機(jī)機(jī)體等人類生活中造價高昂的物體結(jié)構(gòu)受到的破壞發(fā)出早期警報的智能系統(tǒng)。而這些智能系統(tǒng)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(kuò)大、縮小或彎曲的物質(zhì)構(gòu)成的，如陶瓷或薄膜等壓電材料。它們受到擠壓后會產(chǎn)生電壓，或者反過來說，在施加電壓時會發(fā)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(biāo)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(nèi)作出反應(yīng)，但它們的大小、長短變化有限。因此，科學(xué)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(dá)到15％的情況下，也能“記住”先前的外形，通過加熱即可恢復(fù)。

　　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(dāng)它處于常態(tài)下，可以毫不費力地用勺子攪動；但是當(dāng)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(tǒng)和可變阻力的健身器械。

　　科學(xué)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(jī)機(jī)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(dǎo)纖維制作的，已用它探測飛機(jī)機(jī)身及機(jī)翼的變形，以便及時發(fā)出報警．光纖“眼睛”現(xiàn)在已被用于監(jiān)視橋梁的安全．科學(xué)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(qiáng)光作出反應(yīng)，而是對某些具體的化學(xué)物質(zhì)作出反應(yīng)。由于加入了酶及其他蛋白質(zhì)，這種玻璃在含有某些化學(xué)物質(zhì)的環(huán)境中會出現(xiàn)不同的顏色，因而可用它監(jiān)測環(huán)境污染。

　　通常，智能裝置中的’大腦”指的是集成電路．科學(xué)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(bǔ)裂痕．一種設(shè)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(nèi)，這樣可在任何需要的時候便能自行修補(bǔ)；另一種設(shè)想是，使含有密封劑的纖維遍布整個結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)裂縫，纖維也會被撕破，放出密封劑進(jìn)行修補(bǔ)。

　　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(dāng)將壓電材料這種“肌肉”裝在飛機(jī)機(jī)身壁內(nèi)，在飛機(jī)飛行中遇氣流時，受氣壓作用的壓電材料就會產(chǎn)生電流，并發(fā)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(wèi)星以及空間站的振動。

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

　　在未來的新世紀(jì)中，智能材料將會大放異彩，創(chuàng)造出人間的奇跡。