Mechanics 版 (精华区)

发信人: spaceflight (雨前龙井), 信区: Mechanics
标  题: [身边的力学]材料科学王国中的新成员——张陵
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Jun 10 15:12:45 2005), 站内

材料科学王国中的新成员——智能材料

张陵
 

    在人类文明的发展过程中，材料科学所取得的每一次重大突破都极大地促进了社会进步、经济发展和其他相关科学技术的提高，以至于各个历史时代纷纷以该时期人类主要使用的材料名称命名，如石器时代、青铜器时代、铁器时代等等（图1）。

    材料的智能化是人类对材料的期望和要求，同时也是材料，特别是功能材料的必然发展趋势。多年来，受大自然中动、植物的启迪，人们一直怀着这样的梦想：为飞机、桥梁和一些关键结构设计出一种在发生灾难性事故之前就能够预感失事并发出警报的材料；能够自动加固、自动修补裂纹的材料；建造一种不用螺旋浆的隐形潜艇，它可以像鲸鱼一样游动而不会产生振动，以避开敌舰上声纳的搜索；在人体内植入一个能够按照医生预先设计的治疗方案对身体特定部位输送药物的生物导弹；发明一种特殊的墙纸，它能够“感觉”到室内的噪声并自动地使之消失；等等。对具有类似于生物智慧的上述种种新材料的构思和设想就是材料科学王国中的新成员——智能材料的雏型。


    智能材料的仿生特点

    什么叫智能材料呢？举个例子，比如人的皮肤在划伤后过一段时间就会自然长好；骨头折断后，只要对好骨缝，断骨就会自动长在一起。这种皮肤和骨骼的功能引起了一大批科学家的极大兴趣。他们设想：如果飞机的机翼和机身的蒙皮、桥梁的钢梁和混凝土以及车辆上的零件在出现裂纹后也能像皮肤和骨骼一样愈合，那该多好！这样，就可减少飞机失事、车毁人亡等许多灾难。从生物学角度看，人类能够对外界做出主动性反应是因为人体具有收集、分析外界信息并做出适当反应的能力（图2）。收集信息需要“神经元”（如触觉神经、视觉神经等），分析信息需要“大脑”，对信息做出适当反应需要“肌肉”；“神经元”、“大脑”及“肌肉”相互之间的信息传递则需要“神经网络”。因此，与人类相类似，具有仿生功能的智能材料和由它所构成的系统应具备以下四个要素：（1）含有附着的、埋入的或内在的传感器，它是智能材料的“神经元”，用以感知外界变化并收集外界信息。（2）含有中央处理器，它是智能材料和结构的“大脑”，用它对传感器所收集到的外界信息进行分析、处理并发出适当的、适时的动作指令。（3）有附着的、埋入的或内在的执行器，它是智能材料的“肌肉”，其作用是根据中央处理器发出的反应指令进行相应的动作，因而也称之为动作器。（4）拥有通信网络，它是智能材料和结构的“神经网络”，担负着传感器、执行器与中央处理器相互间的信息传输任务。此外，智能材料和结构还应具有与人的骨架功能相类似的先进复合材料，用以支承、连接这些硬件系统和受控结构。由此可以看出，智能材料是一种用来描述自身含有传感器、执行器、中央处理器及通信网络的仿生材料。它具有与生物体相类似的自适应功能，能够对周围外界环境的变化作出适时、灵敏和恰当的反应。关于智能材料的研究是一门交叉科学，它吸引了一大批化学、物理学、材料学、系统控制、计算机等广泛领域的专家。他们正在联合起来共同攻关，做第一个“敢吃螃蟹”的人，致力于开发出新型、实用的智能材料。90年代以来，他们取得了一系列令人振奋的研究成果。


    智能材料的家族

    形状记忆合金在智能材料的家族中，有一种具有独特形状记忆功能的合金，称之为形状记忆合金（SMA）。这种合金材料在特定温度条件下其物理性质将会发生显著的变化，即当对预变形的形状记忆合金加热，使其温度超过合金相变温度时，形状记忆合金材料就会恢复到变形前的形状。最早报导的形状记忆合金的应用实例就是美国宇航局的月面天线计划（图3）。在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。

    形状记忆合金应用的另一个例子是在医疗方面。日本的一位专家利用对电磁场敏感的铁氧体包覆TiNi形状记忆合金丝（j=1.0mm）制成了癌症温热疗法用针（图4）。首先，通过病人体外的导管将这种形状记忆合金针植入到病人的癌变部位，由于形状记忆功能的作用，SMP将会发生自变形弯曲现象；其次，在通过涡流效应所产生的高频电磁场作用下，SMP在癌变部位将能够产生出一定的热量以使癌变区域得到萎缩。在以往的癌症温热疗法中，铁氧体治疗用针存在着两个主要问题：一是针体植入后（因不能弯曲），针的运动对病人来说是潜在的危险；二是由于磁通量的大小与直型针体的位置方向有密切关系，因而导致了癌变部位周围电磁场各向异性，位于癌变部位的针体所释放出的热量是非均匀的，影响了治疗效果。但使用上述形状记忆合金针SMP之后，不仅解决了这两个问题，而且同时还使疗效得到了提高。

    此外，形状记忆合金机械手及机器人，特别是微型机器人的研制和开发，一直是形状记忆合金应用的一个热点。小型外科手术、显微镜下的精细作业以及很多场合下，都提出了毫米级微型机械手的要求。人们不仅希望机械手的动作要小，而且其本身的结构尺寸也必须小。图5是一用形状记忆合金作为驱动元件，具有可动的肩、肘、腕及手指的微型机械手。手指和手腕靠TiNi合金螺旋弹簧的伸缩实现开闭和弯曲动作，肘和肩是靠直线状的TiNi合金丝的伸缩做弯曲动作，各个形状记忆合金驱动元件都由直接通上的脉宽可调电流加以控制。

    智能皮肤    研制出触觉灵敏、能够自我修复、自我愈合的“智能皮肤”是人类梦寐以求的愿望，如今这一理想正在变为现实。用光纤材料或高分子材料制成能像人的手那样可以“感觉”和“动作”的传感器与执行器；运用电子技术和计算机技术制造出能够像人的大脑那样可以分析判断、逻辑推理及综合理解的微型数据信息处理系统；将这些传感器、执行器及控制系统埋入到结构材料之中就形成了一种具有类似人皮肤那样功能的复合智能材料结构（图6）。这种“智能皮肤”不仅可以用来制成飞机的机翼和机身的蒙皮，以防止鸟撞飞机等意外事故的发生；而且，它还可以用在潜艇上，吸收来自声纳的反射波，使其摆脱敌方声纳系统的监控，成为一个真正的“秘密”武器（图7）。此外，美国的一位科学家研制出了一种可以自行愈合的混凝土（图8）。他把大量的空心纤维埋入到混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有裂纹修补剂的空心纤维也将随之断裂并释放出裂纹修补液，从而把裂纹牢牢地粘在一起，达到了材料自行愈合之目的。

    智能生活用品    在日常生活方面，智能材料结构也具有广阔的应用前景。在不久的将来，家庭中由智能材料结构制成的物品到处可见：坐椅可根据人的体型调整其形状和温度，使人能更好地解除疲劳；餐桌可使用磁感应来保持食品的温度；墙壁上的智能装饰材料能够改变颜色和纹路，使人们免受洗衣机、吸尘器、抽油烟机等家电带来的噪声之苦；由电致变色智能材料制成的“智能灵巧窗”可以随气候的变化和人们的活动而自适应地调节热流和采光。此外，用在高级轿车挡风玻璃上的智能雨刷可自动感觉雨量的大小并将其调节到最佳的运动速度。“随身听”是当代青年人所喜欢的娱乐用品之一。它上面的磁头定位器是由智能材料——压电陶瓷晶片制成的。这种压电陶瓷定位器可以控制磁带始终垂直地贴紧磁头，精确地沿着磁道轨迹运动，使我们能够听到悦耳动听的音乐。


    智能材料的研究前景

    在日本，1990年成立了一个仿生设计调查委员会。该委员会的成员正在对人、动物和植物进行“活体”研究，以掌握生物所具有的特异性能，然后再设法将研究成果用于智能材料的设计之中。现在，患胆结石症的人较多，通过对胆结石这一“生物晶体”的生长机制研究，不仅可以为胆结石的预防和治疗提供线索，而且还为人工牙齿及人工骨骼等医用“智能晶体材料”的开发提供了条件。日本三重大学一位教授的研究重点是贝壳一旦受到损伤，破损部分就会发生钙化，从而巧妙地进行自我修复；而且，当把构成贝壳的外膜上皮组织移植到其体内时，就形成了珍珠；如果上皮细胞同珍珠袋同时发生变化，蛋白质和晶体就会整齐地互相排列在一起，即使没有来自大脑的指令，这一排列也能完成。研究人员认为，搞清这些原因将有可能找到“无生命”材料自我修复的线索。日本东京大学的一位教授在研究海参时发现，当人在捕捉海参时，它的身体就变硬。海参越遭袭击，其皮肤就变得越硬。他设想：如果能够利用海参外皮组织的相反特性，即在受到强烈碰撞时能变软的外皮，那么受碰的物体岂不就可免遭破损！还有一位科学家在研究大象游泳时发现，大象可以通过改变体形来减少阻力。于是他设想，如果能够制造出随着速度的提高而改变形状的船舶或飞机，那么在航行时，就能够以最少的能量消耗达到最高的速度。但是要达到这一目标，必须有随环境变化而自我改变的材料。因此，研究大象改变体形的机理就有可能为研制这类材料找到有效的途径。在植物研究方面，大家知道，任何竹子都有竹节，竹节的一个非常重要的作用就是能够防止裂纹进一步扩大。竹子还有一个特点就是韧性极好，多大的狂风暴雨也奈何不了它。日本的科学家正在精心地研究竹子和竹节的这种功能，他们发现：竹子内外侧的纤维排列是不相同的，正是这种结构使它能够抵抗风暴而不会弯曲折断。他们这一研究的目的是将竹子的抗弯和抗裂的机理广泛用于飞机、火箭及其他结构。

    随着材料科学、机器人学、电子学和计算机科学相互之间界线的模糊，在世界的建设过程中，智能材料将变得越来越重要。由于它们的原型是生物结构，因而智能材料的研制比我们目前已制造出的任何东西都复杂得多。在这方面的研究和开发过程中，将孕育着新理论、新材料。其研究成果不仅可以促进多种学科间的交叉与共同发展，而且还有利于提高人类的物质生活水平。

--

      ╭──╮╭──╮╭──╮╭╮╭╮╭──╮╭──╮╭──╮╭──╮╭──╮
      │    ││╭╮││╭─╯│╰╯││╭╮││╭╮│╰╮╭╯│╭─╯│  ─╮
      │╰╯││╰─╯│╰─╮│╭╮││╰╯│││││╭╯╰╮│╰─╮╰─  │
      ╰╯╰╯╰──╯╰──╯╰╯╰╯╰╯╰╯╰╯╰╯╰──╯╰──╯╰──╯
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: Welcome to Mechanics @ Lilac]


※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.228.161]