请你想象一下：你在房间或汽车里听到的音乐来自门、地板或者天花板；梯子受压过重提醒你，也许它马上就要坏了；地震中受到破坏的建筑物、桥梁会自行加固，裂缝自行封合。像有生命的东西一样，这类系统会改变结构、解释受到破坏的原因、采取措施修复，而且最妙的也是我们希望的，因使用时间久因而“健康”受到损害时，会“自行退休”

这类结构体也许离现实太远，但许多研究人员论证了“有生命”的材料的可行性。当代的炼金术士们还列出了一大堆能使惰性物质变活的设备，其中就有像肌肉那样起作用的传动装置和发动机、像神经那样起作用并能记忆的传感器，以及象征大脑和脊柱的通信计算网络。在有些方面，某些特征可以说比生物体的功能还要高明。

像这样的材料叫“智能材料”，因这类材料做成的系统，在构思上，与传统的工程设计的系统相比，有显著的优点。

传统的工程设计，设计人员要从最坏处考虑，因而安全边际就大些，所用的物资（如增强材料）就多些，这就增加了结构体的重量，而且还得多投入人力、物力等。

而智能材料系统能避开上述问题。它是由达到某种目的而设计的，也就能在紧急状态下修改自己的行为。如梯子承受重量过大，它就用电能使之变坚实，并提醒使用人注意。梯子作出反应是以它实际承受能力做根据的。如果它评估到自己再也不能作哪怕是丁点儿工作时，它就要声明“退休”了。从这方面讲梯子与人的骨骼相似。骨骼承受的压力过重时，就要改变形状；但在另一方面，梯子又与骨骼不同，骨骼受到冲力后作出反应比梯子慢。

传动材料的种种

能使结构体适应环境的材料就叫做“传动材料”。它能随温度、电/磁场的变化而改变自己的形状、硬度、位置、固有频率和别的机械特征。现实生活中，用得最多的有形状记忆合金、压电陶瓷、磁致伸缩材料和电/磁流变流体等。尽管目前没有一种能十全十美地起到“人造肌肉”的作用。但在很多工作中，仍能满足一定的要求。

形状记忆合金形状记忆合金在使用中如果变了形，它能在某一温度条件下，恢复到原来形状。

这种材料中最有名气的可能要数镍-钛家族中的Nitinol了。Ni表示镍，ti表示钛，nol就是研制单位美国海军军械实验室（现海军海上作战中心）的略称。Nitinol对腐蚀和疲乏的抵抗力很强。拉伸可使之增长8%。加热到一定温度时（一般是用电流）就可恢复原状。

现在，日本的技术人员就用Nitinol制作微型机械手和机器人传动装置，以模拟肌肉的平滑移动。当这两种设备恢复原状时试着给它们加力时，它们还能抓住装满了水的纤细的纸杯。

人们一向还把Nitinol线嵌入复合材料里，以修正振动特性，其作用就是改变结构体的应力状态即刚度，从而使复合材料的固有频率换挡，这样就不大可能与外界振动发生共振（强烈的共振可使桥梁倒塌），实验还证明，嵌入的Nitinol线能用补赏压缩降低结构体的内应力。另外，为控制振动，有些发动机机架和悬挂物也用上了这种材料。

形状记忆合金传动材料的缺点，就是它变化得比较缓慢，这是因为它是随温度的变化而变化的。

压电陶瓷材料这种材料取自于压电体（PZI）。能解决形状记忆合金惰性问题，通上电压就可使之膨胀或收缩。尽管最好的那一种也只能使变形不到1%的物体得到恢复，但作用快（千分之几秒），因而是用作精密的、高速启动系统的不可多得的材料。压电陶瓷材料还可应用在光学跟踪装置、录音磁头、机器人的自适应光学系统、墨水喷射印刷机、话筒等方面。

最近，对PZI，传动材料研究的重点，已放在用它来衰减噪声、阻尼结构体的振动和控制应力上。在弗吉尼亚工艺大学和州立大学都用过PZI传动材料，用于结合处的粘织，因为“变形”形成的张力高度集中在此处，用这种材料可以抵消，同时，也可延长一些零部件的疲劳期。

磁致伸缩材料它与PZI传动材料相似，不同的是它是随磁场而不是随电场的变化而变化，在物质的磁场范围内转动着，直至与外界磁场排成直线为止。正是这样，磁场范围可使材料膨胀。含有稀土元素铽的Terfenol-D的膨胀率就大于0.1%。磁致伸缩材料相对说来还是一种新材料，已被用于低频率、高功率的声呐转换器、发动机和液压传动装置，它和前面谈过的Nitinol—样，正被研究用于振动的主动阻尼。

电-磁流变流体材料这是种特制的流体，内含微小尺寸、形成链状的粒子，当置入电/磁场里时，物质的可见粘度就提高多达几个数量级，而且只在几个毫秒的时间内。这类材料，已得到论证，可用于可转动的减振器、振动隔离系统、机器人臂关节以及发挥摩擦作用的离合器、制动器，和运动器材用来控制抗力的设施等。给这类材料带来不便的是它的耐蚀性和化学性的不稳定。眼下也只是对其中的磁流变流体作些改进。

智 能

尽管传动材料和传感器是智能材料系统的关键。但是这一新设计所根据的哲学的精髓，存在于生命各功能中最重要者，即智能的显现中。智能要显现到怎样程度，是显现到材料非得灵巧不行，还是只要能将就过，是可以争议的，但至少它应有本领熟悉环境，并生活在环境中。

现在，智能材料圈子里的人正力图创造有思想的特征。而这些特征还有些就连工程界过去都没经历过的束缚。那么多的传感器、传动装置，还有它们少不掉的电源设施等，不可能都塞入中央处理机。好在设计人员从自然界找到启示，使用“网络”。神经动作速度和现代硅芯片比较起来，相差很远，但它们能以惊人的速度完成复杂的工作，就是因为它们有效地编织成网络。

解决的办法看来是一个“分级结构”。信号的处理和随后采取的行动不是由大脑去作，而是搬到远离大脑、级别低一些的神经去作。火炉太热，你赶忙把手拿开的这种反应，完全由脊髓去安排，不是大脑里有不同层次的“中心”逐级安排的结果。而且分级结构除了有效外，还有“容差”（fault tolerant）特点。比如你拿着一块已冷冻成冰的饮料，你不会感到烫手。事实上，研究人员是通过人工生命（神经机械学的必然产物）而受到启发的。在最时髦的控制概念中，有一个就是模拟真实神经的功能的计算机程序设计，它是软件，能获悉意外事件并相应地做出改变，能预见到需要，能改正错误等等，而智能材料系统所需的功能还更多。终归有一天，计算硬件和处理算法会决定系统复杂程度，即该用多少传感器和传动装置。

智能材料系统的应用

美国航空航天管理局曾用宾夕法尼亚州立大学研究人员精心制作的电活性材料修改过哈勃望远镜中的光学部件。

或许，智能材料十分成熟的用途就是控制声音。如降低飞机机舱内因发动机振动而带来的噪声。控制潜水艇运作带来的声音。当然，在结构体内加进一些物质制止振动，用强力控制声音也是一个办法。但智能材料系统采取的是另一种办法：它观察到结构体内把声音发射出去的振动，然后用遍布在结构体内的传动材料去控制那十分令人厌恶的振动。这是从根本上控制声音。飞行员用的耳机也是出于同一设想制造的。

一个有发展前途的设计也许少不了一个自适应结构，许多传感器按照需要联结在一起，形成一个特定的体系，而且高度灵活。某个传感器出了故障，自适应结构就能用另一个代替。为适应这种改变，传感器间的相互关系，以及控制的规则系统，都得重新规划。

系统复杂的程度，显然要给制造过程增加麻烦。大堆大堆的传感器、传动器、电源设备以及控制用处理器，要相互间联合在一起，就得需要思维空间，把本来是个灵巧的结构体，搞得非常复杂。解决的办法，就得靠计算机芯片制造者的光刻技术了。这样，传感器网络也许就像微型硅芯片的分件了。

智能材料系统也许不是一场材料革命的发端，而且下一步要我们去理解复杂的物理现象。在很多方面，它是理想的记录设备，能感知环境，存储一段时间有关物质状态的详细信息，还能改变物质特点等。

将来的智能材料系统会使一些物体活动得更加自然。到那时，智能材料系统就是下一个工程技术革命的“显灵”，是新材料时代的黎明。

[Scientific American，1995年9月号］