有感知反应的智能材料

20世纪90年代初，在美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学挂出了一个“智能材料研究中心”的牌子．科学家们正在研究各种办法，试图使飞机上的关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障，并及时向飞行员发出警报。他们设想的办法是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤，这种纵横交错布满在复合材料中的光纤就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力。这是因为通过测量光纤传输光时的各种变化，就可测出飞机机翼承受的不同压力。在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是就能发出即将出现事故的警告。

　　这家“智能材料研究中心”的科学家还研究一种能自动减弱某些振动的飞机座舱壁智能材料，以便使飞机能安全、平稳地飞行。他们采用的方法是，利用装在机舱壁内的压电材料，使舱壁振动的方向正好和原来的振动方向相反，这样就等于消除了座舱壁和窗框产生疲劳断裂的根源。

　　现在．一些用智能材料制成的智能系统已悄悄走进了人们的日常生活。例如，具有自动调节功能的汽车悬架可以识别路面变化，并相应改变自身的刚度，以减少车体行驶中的颠簸，使乘客乘坐舒适，智能滑雪板感觉到振动后，马上就会产生减振的反作用力，增强控制能力。

　　在不久的将来，当你把钥匙插进家门的锁孔时，家中的微波炉会自动打开。如果用电脑芯片，这是简单之极的事情。但如果用一块冷冰冰的混凝土、一片玻璃或一卷塑料纸，又会怎样呢?

　　科学家们开始给这些无感觉的材料和物质注入一些智能。这样，混凝土就能发现地面或桥面的裂缝，并能自动修补好。当夏日的阳光照在窗户上，窗玻璃能立即使光线变暗，而且还能改变颜色……

　　但是，科学家们当务之急是开发出能对桥梁、建筑物和飞机机体等人类生活中造价高昂的物体结构受到的破坏发出早期警报的智能系统。而这些智能系统需要使用不同功能的智能材料。这些智能材料有三种基本类型：

　　①由遇到电和磁场后能够扩大、缩小或弯曲的物质构成的，如陶瓷或薄膜等压电材料。它们受到挤压后会产生电压，或者反过来说，在施加电压时会发生弯曲。用压电材料制成的压电传感器可用在手枪枪柄上，这种手枪只有在查明主人手握枪柄时特有的压力形式“标记”后才能开火。这种材料的灵敏度很高，甚至用压电聚合物或凝胶制成的人造肌肉和皮肤已能在试验中“读出”盲文。

　　②压电材料虽然能在干分之几秒内作出反应，但它们的大小、长短变化有限。因此，科学家将压电材料和叫做“形状记忆合金”的第二类智能材料搭配起来使用。这样，它们即使在变形程度达到15％的情况下，也能“记住”先前的外形，通过加热即可恢复。

　　③第三类智能材料包括电或磁的流变体。这种神奇的液体在遇到电流或磁场时会改变它的流动性能。当它处于常态下，可以毫不费力地用勺子搅动；但是当其中有电流穿过时，它会突然间变得像混凝土一样粘稠。利用这种液体的如此奇特性能，可以制造出新型的汽车悬架和传动装置，以及减振系统和可变阻力的健身器械。

　　科学家们还在研制新的智能材料，并能使它们与有生命的物体一样敏感。他们希望给从墙壁到飞机机翼的所有物体装上用特殊材料制成的眼睛，大脑和肌肉．

　　这里所说的眼睛，是利用光导纤维制作的，已用它探测飞机机身及机翼的变形，以便及时发出报警．光纤“眼睛”现在已被用于监视桥梁的安全．科学家还研制了一种变色玻璃“眼睛”。这种变色玻璃不像太阳镜那样对强光作出反应，而是对某些具体的化学物质作出反应。由于加入了酶及其他蛋白质，这种玻璃在含有某些化学物质的环境中会出现不同的颜色，因而可用它监测环境污染。

　　通常，智能装置中的’大脑”指的是集成电路．科学家们正在研究给平淡无奇的混凝土赋予智慧，就好像给它装上大脑一样，让桥梁和公路能自己修补裂痕．一种设想是，把抗腐蚀的亚硝酸钙加入遇到腐蚀液(例如盐水)便会衰变的纤维内，这样可在任何需要的时候便能自行修补；另一种设想是，使含有密封剂的纤维遍布整个结构，一旦出现裂缝，纤维也会被撕破，放出密封剂进行修补。

　　人的二头肌在感觉到电脉冲时会收缩，压电材料的作用原理就和这种“肌肉”相似，被称做智能材料的“肌肉”。当将压电材料这种“肌肉”装在飞机机身壁内，在飞机飞行中遇气流时，受气压作用的压电材料就会产生电流，并发生振动，其振动方向与气流引起的噪音的振动方向相反，从而抵消和减弱噪音。同样，压电材料可用来降低汽车、桥梁、潜水艇，卫星以及空间站的振动。

　　智能材料的潜力很大，应用还在不断扩展。例如，可将智能材料用来建造工厂的烟囱，当烟囱排放的烟气超过污染规定时它就改变颜色，从而监视对大气的污染。又如，在修筑冬天结冰的路面时加入智能材料，这种公路一旦结冰，路面就会变色，以提醒司机行车注意．

　　在未来的新世纪中，智能材料将会大放异彩，创造出人间的奇迹。