不久以前，智能行为一直只和生物联系在一起。根据某种关于智能的定义，材料和结构的智能行为正迅速变为现实。它很可能成为一个重要的技术分支，本文对此作一简单介绍。

最近四、五年在美国和日本，一直谈论着材料和结构的“聪明”（美国叫法）或“智能”（日本叫法），近两年欧洲和英国也开始论及了，这两个名词概括了很大范围内的材料、器件和思想，其共同特征就是：响应性。

在许多会议和讨论中，许多人一直想给智能下个精确的定义，但未能成功。也许是因为响应性有几种水平，首要目的是它必须能够根据自身环境中发生的变化，按控制或适应的方式调整行为。也许有人会说：这是加载时，一根钢材或混凝土梁就能作的，它们适应载荷而变形，并产生内应力与之平衡。确实，在很大程度上，许多材料或结构能产生类似的作用。它们都有一个内在的机制，属于这类的材料有彩色玻璃和形状记忆合金等，两者都要求冠以“智能”名头。然而，这些只是简单的，比类似的条件反射高级不了多少，可是当这类材料组成结构时，就会出现更多的可能性。

理 论

认识到材料和结构的区别是很重要的，但这种区别不是绝对的。显然不能改变一种材料的行为，但可以通过改变几何形状来改变结构的行为*所以必须确定某个界限能够控制材料/结构的性能，在这个界限以上，当结构处理，在这个界限以下，结构可以看作是均匀的，可以当材料来处理，至于某个器件作为结构还是作为材料处理，取决于对它怎样加工，和对它如何要求。一种材料只能对即时事件作出反应，如果要使它为未来事件作好准备，就必须在结构上作调整。

为了使材料/结构能够响应，其本身必须具备一定的感觉能力，任何传感器都是靠不均匀性产生信号，所以智能材料/结构为了传感和响应，需要有不均匀性，并且应该能够把两种功能装在同一个组件中。

智能系统究竟需要什么以使系统将有多种功能，更可靠、更耐用。一个更复杂的系统能对外界事件产生更精确的响应。从自然界中，我们知道：生存取决于对外界发生事件的感知和综合能力（非常接近于意识的概念），取决于安全生存，并检测损伤（痛觉敏感性）的能力/取决于预知事件、修复损伤、改变形状或者适应新荷载的能力（适应性）。以上这些因素按在工程产品中达到程度的可能性排列，这样的系统非常接近机器人。

现 实

传感器

传感是通过光纤，压电元件，红外接收器等实现的，除非特别小心，它们嵌入后可能损伤材料结构或者使之敏感性不足。生物学可以给我们一点启发，许多生物传感器是由与它们嵌入的结构相同的材料制造的，在昆虫、蜘蛛、蟹等（外壳就是骨骼）的生物上，它们的K荷敏感、应变敏感、韧性敏感和辐射性敏感（包括频率敏感器）传感器都是这样。例如载荷传感器（可能与外壳上的孔有关）是个整体，位于载荷预计最大处，还不导致力学性能减弱。生物传感器日常在由定量效应设定的灵敏度范围内工作，所以我们能通过控制传感器的化学性质和分子水平上的形貌以及设计更复杂的传感器结构，使材料和结构更好统一起来，改进当前传感器的性能。

更为复杂的传感器系统可以大大减小设计的严格性，现代机器能利用传感器输入的信息，调整工作行为，而不必遵从一个内设的不能改进的程序。这种灵活性能不仅对短期环境变化立即产生响应，而且能根据损坏或设计的不足改变行为。由于性能标准不那么严格了，这就更容易优化，由此也能更容易、更便宜地设计一种安全且更高效的机器，动物和植物其实就是这样。在很大程度上，某些动物的惊人能力就是反馈控制，例如盘旋的捕食鸟的高空定位之准确和视觉的敏锐。事实上，一个鸟能用剩下一半的羽毛很好很安全的飞行，其设计思想多么有灵活性啊！

执行器

短期执行器：当一个信息被感受到后，它会作用于执行器，例如普通的液压杆。但正如不均匀性允许各处分别传感一样，它也能在各处分别执行响应。形状记忆合金或电流变液可以装在里面以引起变化，这类材料产生的是一定特性（刚度或形状）的梯度功能变化，而理论上要求最好能连续可调地变化。受非木本植物构造的启发，液压（或气压）系统通过改变固体结构材料的数量和控制其分布（形状和体积比），就能制造有连续变化功能的嵌入执行器。整个结构还能分步预压，当然里面必须有韧性机构以免积累的弹性释放，导致断裂。

长期执行器：一个生物材料/结构能够重建模型，或者说，根据不同环境应力，它能响应并调整自身结构。它能按其被使用的方式来重新设计自身。应变与蜂窝状反应的转换，通常被认为是材料的压电性能作用的结果，如骨骼的骨原质和树木中的纤维束。许多生物的形状（到目前为止，主要指树和骨骼），遵从两条总构成原则：它们有承受所有能遇到的载荷的足够强度；它们的重量是完成这项工作的最小重量。如果它们过载，那么材料就会沉积在应力（或应变）最大处，无论是局部，还是全部，与此正相反，在被动的无机材料系统中会发生应力腐蚀。一种“聪明”或“智能”材料将像骨骼和木材一样，使更多的材料沉积在应力大的地方。这种机制显然违反热力学第二定律，所以，为了这种机制的实际应用，需要在化学键水平上进行理论分析并建立实际模型。

智能材料/结构将在使用过程中继续改进自身结构，这样尽管承受的载荷大小和方向可能变化，它将能够依此改变形状来响应。如果是长期的，它将增加或减小各种元件的尺寸；如果是短期的，它将只改变结构的形状，这样就不必增加质量和稳定性来承受各种方向的载荷（建教堂的工人就是这样干的），它将能够移动或调整形状来缓解内部的应力网。当然，动物一直都是这样很轻松地承受载荷。这种结构设计成可移动式，如正在研究的用于多地震地区的建筑，可以根据地面的运动改变预应力或移动它的重心来稳定。

智 能

众所周知，“智能”的定义和测量是很困难的，在最近的使用中，它是指通过对传感器检测的信息的加工和综合，使执行器产生适当的响应行为。然而智能表示对最少信息产生正确判断，在短期内响应，并预测以后发生的情况的能力。这些特点要求有一个不断更新的内在的环境参照模型，它能使用模糊逻辑。所以，人脑功能永远不能模仿是有根本原因的。但是，如果我们模仿昆虫的神经系统，就会有更大的成功机会，这已经很好了。

结 论

随着材料科学、结构学、机器人学、电子学和计算学之间界线的模糊，在建设世界的过程中，智能将变得越来越重要。当然这些完全综合的原型是生物结构，这比我们目前制造的任何东西都复杂得多。我们能从中学习并逐步完善，生产出能适应更加严酷环境的结构。

[Metals & Materials，1992年1月号]