今天的道路、桥梁是聋子、哑巴和瞎子。然而明天，可以用自修复的混凝土和能感知即将来临灾难的玻璃神经制造它们。

不幸的现实是，只要你待在一个城市里的时间久了，总有某些糟糕的事情发生。像地震、飓风、恐怖分子的炸弹，建筑物、桥梁和路面损毁等会突然铺天盖地地接踵而来。有些城市即.使幸免于这类灾难，也会由于像金属缓慢、潜伏的疲劳、锈蚀,或者由于风的作用或过度繁忙的交通引起的振动，甚至是仅仅由于时间的流逝，导致城市景观的消失。

对这类危险连篇累牍的报道促成了一个国际学派逐渐形成，即被称为结构控制的研究者们。他们认为，未来城市将不会像今日城市那样多灾多难。现在他们试图解决的问题是：使现代城市的基础结构的设计和施工可以使桥梁和道路实现自我防护，和保护那些遵照规则使用的人们，这一预言最终是否能够实现呢？

15个国家的340多位学者正在就有关的材料、计算、数理、工程和经营管理方面的细节进行探讨。他们一些早期的设想曾经发表在这周的第二届欧洲灵敏结构的材料（Smart structures and Materials）专业会议上。这些研究人员研究吸收地震波引起的建筑物的地面的波动，使乘车的人们即使在颠簸路上行驶也能保持平衡。为此要给城市的钢梁、混凝土板和其它基础结构装上由光纤和压电陶瓷构成的传感器。这些传感器可以监视振动、油漆损伤的痕迹和特殊钢合金的危险应力。甚至于在更远的将来，建筑物和道路可能会用自愈混凝土构成，或用由硬陶瓷材料制成的强化纤维与高分子基的复合材料构成。

像钢铁、混凝土、玻璃和木材这些传统的建筑材料，以及像聚合物和复合材料这类新型材料，再不能继续是聋子、哑巴和瞎子。科学家和工程师们已经开始考虑，让它们能够以生物界的方式感知内部和外部条件，成为对这些与状况能做出判断的建筑物。

这些学者预言，未来城市的构造将面目一新——其建筑物、桥梁、道路、高速公路的指示牌和其它城市结构，将对材料损伤和结构恶化有无生命的疼痛感觉，不仅如此，它将控制和警告它的使用者人，回避危险或采取修复行动。

· 基本思路 ·

传统作法的工程实践中，几乎全靠整体上大量附加钢材和混凝土支撑结构以预防荷载和压力造成的损害，罗哲的观点与此相反。他主张应用轻得多的智能化组件，用电子控制和满足应力要求这将应成为城市规划的基本组成部分。

几年前，弗吉尼亚理工学院机械工程师罗哲（C. Rogers）的实验室沿这一观点向前推进了一小步。他的研究小组采用临界尺寸的复合梁，实现减小梁的振动造成的操作。这时上下前后振动作用于粘结处四周，焊接处慢慢脱开，油漆以表面脱落，削弱的是复合材料的不同材料之间的联接处，从而避免了整个结构的操作。罗哲认为，只要减少振动，就会使这个结构更加牢靠，寿命增加、维护费用减少。

为了验证这一理论，罗哲研究小组在合成梁中植入形状记忆含金（SMA）的纤维，当受到电热作用时，这种纤维能够像肌肉一样发生形状和张力的变化。此法能控制梁的刚性和自由振动频率。然后，研究人员把这一横梁粘结到一个柱子上再使它振动。应用计算机控制程序，用改变横梁的刚性的方法抵消振动。他们发现，这种横梁的联接处能经受的振动比普通横梁大10倍。

对于罗哲来说，通过这一实验说明用于控制SMA纤维的能量可以起到与增加的钢材和混凝土同样的工程作用。对于市政当局来说，该实验是一种维修少、耐用和安全的结构将产生的预兆。

但很多结构工程师和研究人员，至今仍然不敢大胆地迈出在建筑物中使用大量“智能化”结构这一步、他们承认这一构想的优点，因为要实现更现代化的目标，需要清除很多技术、法律，甚至文化上的阻碍。

—位在Burlington Vermont大学工作的研究人员，叫彼德 · 费尔（Peter Fuhr）的电气工程师采用了这一谨慎的处理。费尔和他的同事，将实验性光纤这种能感受宿主材料（host materials）状况 · 起“玻璃神经”作用的材料，植入建筑物、道路、堤坝和桥梁的混凝土内。

尽管费尔及其助手认为，将这一技术应用于今日城市还需要克服一系列困难但这些研究结果表明，它很有发展前景。费尔告诫人们，将传统的哑巴结构灵敏化的费用很可能令几乎所有设计者、建造者或产权人望而生畏。形成规模经济和技术进步可能会减轻这一问题，而更大的障碍是改变工程的结构界的文化观念。正如一位被公认为是地震工程之父的乔治 · 豪斯纳（PaSadena的加里福尼亚理工学院的退休教授）所言，建筑工业界与制定和实施建筑法规的政府官员们都非常保守。他们信奉的原则是：采用的必须是经过反复试验的方法，以免导致日后打官司。

费尔发现，应用这一技术极早期的锈蚀可以检测出来。他应用这一技术的直接目的是，找到埋入Ver-mont车行道路下的能承受恶劣施工条件的纤维，和其光线特性能够随时间变化，从而成为信号预报的最好方式。

· 健康检查 ·

市政建设中使用传感器是监测结构状况的一种方式，它无情地监视像断裂、焊接失效和锈蚀这类信号，这大概是智能化结构研究界开放的最多、最普遍的一种监测方式。正如弗吉尼亚理工学院的罗哲所说的，这样做的目的是询问结构，“喂，你感觉如何？”，并期望能得到一个真实的回答。

并非仅是费尔和克劳斯在研究使用光纤作为玻璃神经。还应该提到多伦多大学的雷蒙 · 麦若斯（Ray-mond Measures），他历时几年研制的一种光纤传感器，嵌入用于制作“灵敏”机翼的复合材料中，可用于监测空气动力强度和损伤。8月份，在洛杉矶召开的世界第一届结构控制专业会议上，他报告了他的研究小组在加拿大卡尔加里市所进行的工作。1993年，这一城市要求在一个高速公路桥的某些混凝土梁中用碳纤维取代钢材作为加固材料。此举为创新的先例。在卡尔加里，人们都熟悉，碳纤维被具有钢材一样的结构强度，却不会像钢材那样，由于化冰使用盐而容易锈蚀。

在像交通负荷量很大的桥这类关键性结构中使用崭新材料时为了减轻人们的担心，麦若斯的研究小组在几个梁中置入一些纤维光这Bragg分度传感器。以前的实验证明了，这些传感器可以在这样的结构中长期监测内部应变。分度是由这一纤维的一些微小区域完成的，这些区域的折射指数经过修正，以致仅是特殊波长的光从这些区域发出，通过纤维返回到一个检测器中。纤维传感的原理是纤维应变的变化会改变分度波长参数。研究小组在桥上连接了一个“结实的、紧凑和可运输的”监测系统，这一变化可以很容易地测量出来。在这次专业会议上麦若斯报告说，他的研究小组不仅能用这种传感器监视梁的应变，也可以监测桥上的单个卡车所引起的不同程度的应变。

光纤仅是工程师们正在研究的灵敏传感材料的一种。还有像铅锆钛酸盐和聚乙二烯二氟化物这样能将机械据动，像振动和压力，换成电信号的陶瓷和塑料压电材料。将制在硅基上的微型加速度计安装在某些新型汽车的空气袋的中心，事故发生时，它会自动地充气膨胀增大阻力。事实上，很多更精巧的化学、物理和生物学的传感器正处在研制的不同的阶段。

· 应变测量 ·

除了灵敏传感材料，还有大量的执行材料用以制造能够对于智能化结构中的刺激产生反应的组件。有一种电子-流变液体材料，它在电场强度足够大时，能从流动性很好的液体转变成比较硬的固体，从而改变结构的刚性和振动特性。

镍-锡合金Nitinol这种形状记忆含金是另一组很有应用前景的灵敏材料。加热时，这种含金会产生形变，冷却时它们又转变回原来的形状。理论上，一个智能化控制的SMA执行元件的网络，能够使结构在需要时和必要之处承受变化的负荷、磨损和损伤所必需的额外的强度。

作为传感器的压电材料也可同时作为执行元件双重使用，因为它们在电场中有轻度膨胀或收缩的反应。例如，长期以来，海军工程师们希望能够造出具有灵敏的船身的潜艇，以挫败其它舰艇为发现他们所设置的声呐回波位置探测器。压电材料能够检测出来的声呐脉冲，和产生一组迷惑的相反振动，这样可以使潜艇的整个运动轨迹不被追寻它的舰艇发现。

伊利诺伊斯大学的一个建筑学教授和材料科学家凯洛林 · 德莱（Carolyn Dry）研制出了看来虽然是未来的，但很简单的执行元件，它能够使建筑材料自修复。他们在小空心管中充入异丁烯酸甲酯这样的粘性材料，或者硝酸钙这样的抗锈蚀化合物。其目的是当结构中出现细小的裂缝时，这些小管断裂，里面的物质流出，形成自愈混凝土结构。

目前，大多数灵敏材料和结构的研究人员已在实验室中进行了小规模试验。仅是最近，研究人员的注意力才从像灵敏隐蔽这类国防应用转向庞大的土木工程项目，像楼房和桥梁。

然而，USC的马斯瑞说，这是一件完全不同的事情。他解释道：“控制土木结构系统是与控制其它一些受力较小和需要精度较高的这些领域（如航空）是完全不同的”。“土木结构受力大，要求精度底”，

已在世界范围内被最广泛地应用于建筑物中的控制技术是“基础隔离系统”。这些技术采用由橡胶和水泥制成的巨大的平台和基础，以减少传递到建筑物上的地震能和风能。应用不多，而且仍在实验中的另一种方法是在高层建筑的上层加上额外的建筑材料——通常是混凝土块或是大箱的流体。早期的这种建筑只是用反向运动被动地抵消建筑物的基本频率的振动。主要是在日本的一些工程师们提出了一种第二代的技术，通常称为主动值量阻尼技术。这一技术采用各种执行元件和机构以使这些阻尼物的频率可调整，从而可抵消较大频率范围的建筑物的振动。

马斯瑞说，这些技术在减少由风引起的经常性的振动方面取得了一定程度的成功，而它们的主要优点，至少在不久的将来，将是减少高层建筑和桥梁的摆动所产生的不舒适感。地震发生时，楼房的较高层可能会摆动几十英尺。

马斯瑞认为，未来的重要问题是建立能有效地减小或避免地震损失的结构控制系统。去影响重达几百或几千吨的庞然大物必定需要很大能量，而能量恰是在灾难发生时最易于被切断供给的害物资。一种采用不多的方法是，用联接阻尼物将邻近的建筑物连在一起以使结构稳定，就像人们互相拉住以保持在摇晃的地面上站立不倒一样。

传感器的执行器件仅是建造诸多的智能化结构的第一步。这些结构将是未来城市的什么的传感器，或者能够执行而没有一个执行计划的执行元件组成的系统来装备结构，将只会造出异常愚蠢的结构来，并且只能使造价昂贵而不是令人羡慕的智能化和高效率。

意识到这一问题，促成了结构工程领域与微电子界人员之间的某些汇合。1989年，地震工程师在国家科学基金会的鼓励下建立了美国结构控制研究小组委员会（US Panel On Structural Control Research），道德出现了这种新的研究的基本结构形式的迹象。一年之后，这一小组委员会召集了第一次结构控制人员的专题讨论会。1991年，日本的研究人员组成了与这个美国小组委员会类似的机构，并且主持了另一次专题讨论会。

参加8月份在洛杉矶召开的专业会议的人大多数来自美国和日本，但也有来自台湾、香港、中国、意大利等几个国家的学者，1993年7月，一个称为智能化基础结构研究促进会（International Initiative for Intelligent Infrastracture Research）的组织宣布成立。豪斯纳说：“这一组织将成为世界范围内交流和协作的中心”，“我们处在一个良好的开端”。除此以外，这一年成立了国际结构控制协会（International Assocition for Structural Coutrol）。

· 结果 ·

这一领域正在逐渐真正国际化和在为解决未来的问题而密切配合。但即使是豪斯纳，对于目前结构控制工程技术的广泛应用的可能性也是比较实际的。工程师、建造者、验收者和使用者的疑虑都需要被解除，需要向他们说明，埋入混凝土或者是复合材料的这些组件不会使这些材料产生新的可靠性问题。另外，即使系统足够便宜，结构控制工程师也必须根据美国和其它地方的建筑法规决定是否采用。

即使仍有这些尚待明确的问题，结构控制工程师的工作的重要性已经由电视和晨报得到证明。1993年9月，在阿拉巴马的蒙比利，一辆火车从桥上飞驰入水中，落水几分钟后，它被一艘漂泊的驳船损坏。40多人死亡。费尔回忆道，第二天早上他收到了人们打来的好几个电话说，如果桥上装上了他所研究的那种玻璃纤维的话，这一悲剧就不会发生了。费尔说：“这就是激发我继续工作的动力”。

[New Scientist，1994年10月15日]