心有灵犀一点通

4. 心有灵犀一点通

“芝麻，开门！”谱新篇

凡读过著名的阿拉伯民间故事集《一千零一夜》的人，都知道“阿里巴巴与四十大盗”的故事。阿里巴巴对着藏有珍宝的神秘山洞说一声：“芝麻，开门吧！”山洞的石壁大门便会应声打开。这种情景对于古代的人们只能是一种幻想。

随着时间的推移和社会的进步，昔日的许多梦想已逐渐变为现实。科学技术的发展，使人的智慧越来越多地转移到了和人类生活密切相关的事物上。一个生活智能化的世纪正一天天向我们走近。

时至今日，类似于“芝麻开门”的事情早已不是什么稀奇事儿。建立在遥控、传感技术、电子计算机技术和一大批配套技术基础上的智能化设备将使人们完全可以得心应手、怡然自得地享受生活的乐趣。即使在眼前，人们也已开始领略智能化的奥妙：坐在床头，可以遥控电视开关、选频和音量；厨房煤气泄漏，装有电子鼻的抽油烟机便自动开启把煤气排出室外；全自动洗衣机在你放好衣物和洗涤剂并确定好时间后，只等着伸手取出已经近乎可穿的洁净衣物……

与此同时，一批智能材料也在悄悄走进我们的生活。有一种用光纤智能材料织的衣料，可以在不同温度下出现不同的颜色。科学家们采用复杂的化学手段和热敏元件，使它在极小的温差下也能变色。这种衣服穿在身上，可以通过颜色的不同，告诉我们哪个部位发生病变。用智能材料制成的汽车悬架具有自我调节功能，可以自动识别路面变化，并相应改进自身的刚度。智能滑雪板感觉到震动后马上就会产生减震的反作用力，增强边缘控制能力。

科学家们还预言，过不了多久，智能飞机的机翼可以像鱼尾一样自己弯曲，自动改变形状，从而改进升力或阻力；桥梁和电线杆在快要断裂时自己可以“感觉”到，它们会发出报警信号，然后自动加固自身的构造；空调机可以抑制自身震动；手枪只有在主人使用时才能发火；轮胎需要充气时，会礼貌地通知司机；反应灵敏的人工肌肉可以带动机器人或人的四肢。以上种种不过是智能材料新科学将要产生的技术奇迹的一部分，它在许多重要领域的应用尚处于方兴未艾之际。那么，什么是智能材料？它包括哪些种类呢？

智能材料“四兄弟”

智能材料是近年来在世界上刚刚出现并迅速发展的一类新型材料，属于新材料领域中的一个新的分支。目前，对“智能”一词的确切含义尚无定论。它大体上意味着能够对其环境有感觉并产生反应。把具有特殊力学和物理性能的高技术传感器或敏感元件，与传统的结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得似乎有“感觉”，使被动性的功能材料向具有主动功能的机敏材料发展，再配上微处理器，便成为智能材料结构。敏感元件和致动元件是智能材料系统的关键要素，其实质是具体体现最为重要的生命功能——智能。现阶段，智能材料一般是指科学家们受到自然的启发，已经研制或正在开发的能预防故障、自行修理并能适应环境的材料。

迄今为止，智能材料大致可分为四种基本类型。第一类是由在电场中能够发生形变的物质——压电材料构成的，这种材料是1880年由法国物理学家皮埃尔·居里（Pierre Curie）发现的。它能根据施加的电压膨胀或收缩。尽管压电材料的形变范围不大（最好的压电材料也只能使小于1％应变恢复原状），但其优点是作用非常迅速和灵敏，能够在千分之几秒内作出反应，因而它们是精密高速致动所不可缺少的。光学跟踪系统、喷墨打印机和扬声器、机器人的磁头和自适应光学系统等均是压电材料的“用武之地”。压电材料包括某些新型陶瓷或薄膜，化合物钛锆化铅（简称PZT）即是使用已久的一种压电材料。

第二类智能材料为形状记忆合金。这种新材料在产生应变之后，当外界温度升高到原先温度时，它会记住并恢复原来的形状。这种合金在回到它们所“记忆”的形状的过程中会产生很大的可用于致动的力。1951年，两位美国科学家发现一根绕成弹簧的金镉合金钢丝在冷水中被拉直后，升温至30℃，马上就又恢复成了弹簧形状，从而发现了记忆合金。继而又发现了银镉、铜锡、铜锌等合金也会发生形状记忆现象，之后又发现了三元合金如铜铝镍、铝铜锌等也具有类似的功能。截至目前，记忆合金已发现200余种，其中最有实用价值的是镍钛合金。它有很强的抗腐蚀性和抗疲劳的特性，在大变形后能很好地恢复原状。优良的形状记忆合金即使在变形程度达到15％的情况下，也能“记忆”原来的形状。通过改变合金的组成可以调节此类合金恢复形状的温度，其温度变化范围可在-150~100℃之间，形状记忆合金目前已在机械臂和显微操纵器中得到应用。

第三类智能材料是磁致伸缩物质。这类材料与压电材料有类似之处，区别在于它是对磁场而不是对电场的变化作出反应。材料中的磁畴会旋转直到它们的排列方向与外部磁场一致。这样，磁畴的变化就能使材料膨胀或收缩。虽然这种材料伸缩范围有限，但是因其非凡的强度而使其受到重视。例如，含稀土元素铽（Tb）的磁致伸缩材料能膨胀0.1％以上。现在这种新材料已应用于电机、低频大功率声呐发射机和液压致动装置中。

第四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黏性系数（内在的黏度或抗流动性）。当它处于常态时，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黏稠。原因在于这种流变体材料含有微米大小的颗粒，当置于电场或磁场内时，这些颗粒会形成链，从而只需千分之几秒就使其黏度发生较大的改变。这种奇异的性能已在离合器和制动系统中得到成功应用，还可用于制造减震系统和可变换阻力的锻炼器械。

各显神通，造福于民

智能材料作为一种兼有感知和驱动功能的新型材料，与普通材料相比有许多特殊性能。其最大特点是可以自动适应机器和设备的一些特殊要求，从而可以解决很多工程上难以解决的实际问题。它主要具有如下一些特性：自动改变其几何外形，以适应工作状态变化的要求；自动进行热补偿，以减小或消除热应力或主动控制运动件与静止件之间的间隙；自动改变构件的刚度，来进行振动的主动控制或转子临界转速的主动控制；自动改变模态以主动抑制噪声；对构件内部的裂纹或损伤进行自动探测和主动控制，从而提高工作的安全性，等等。根据此类材料的上述特性，可将其应用于航空航天、交通运输、桥梁、勘探、医学等行业和部门，用以解决那些用传统的技术和方法难以解决的关键问题。同时，还可推动有关科学和技术的发展，例如：信息科学、电子学、安全工程等。

请看下面的若干应用实例。

“健康诊断”与“疲劳”报警。众所周知，桥梁有一定的使用年限，且未必所有的桥梁使用年限均相同。恰如无法预料人的寿命一样，无法预测某一座桥的安全使用年限。如把尚能使用的桥毁了去造新的桥，固然保险，却未免可惜；但若确信还能使用，说不定某一天却突然损坏，又可能引发无法挽救的惨祸。1993年9月22日，美国阿拉巴马州铁桥突然崩塌，一列正从桥上驶过的列车坠落河中，造成了重大伤亡事故。

能不能像对人体一样，对桥梁也作出“健康诊断”，在判明已经“疲劳”时，发出“报警”信号呢？智能材料的出现让这一难题迎刃而解。科学家们用碳纤维和玻璃纤维组成的二元复合材料代替钢筋浇铸于桥梁混凝土中，这种复合材料不仅仅是与钢铁具有同等的强度与柔韧度，更重要的是这种复合体是一种智能材料，通过测量其电阻变化情况便可判断组成桥梁的材料是否已有毛病。测量工作可以经常地、方便地进行，不需要增添复杂的传感系统，因为这种复合增强材料本身就是传感器。将这种技术推广应用，就能对桥梁、建筑物、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。

另据报道，美国马里兰大学智能材料和结构研究中心正在设计一种能够测量酸度、张力等内容的传感器，它们可以在电线杆超过使用年限时通知安全检测人员。还有一种在分子结构中加入电子信号器的智能材料，不仅适用于大型建筑物或汽车、飞机，甚至高尔夫球棒或网球拍上也可以派上用场。当网球拍使用一段时间后绳网的颜色变化时，电子信号器会“通知”你——张力已经减退，应该换一把新球拍了。

“记忆”效应妙用多多。形状记忆效应的发现，为形状记忆合金材料的应用打开了方便之门。由于金镉、铟铊等合金价格昂贵，因此人们对相对价廉的镍钛、镍铝合金以及铜合金体系颇感兴趣。随着研究开发工作的深入，实用的形状记忆合金纷纷登场，应用范围逐步扩大。

航空航天领域是形状记忆合金首先“一展身手”的领域。美国一家公司将镍钛合金用作F—14喷气式战斗机液压管道的接头。由于这些管道紧挨机身，因此无法采用通常的方法进行焊接，而借助镍钛合金的形状记忆性质就能获得很好的效果。具体做法是：将记忆合金加工成的短管用作管接头，短管内径比被接管外径略小。先把短管在-150℃下扩径，使短管内径比被接管外径略大，在低温下把被接管从管接头的两端插入，然后升温，由于记忆效应使短管内径恢复到扩径前状态，把被接管牢牢箍紧。在数万个用这种合金材料制成的液压管道接头中，从未出现过漏油等事故。这种连接方式操作简单，结构紧凑，性能可靠，适用于异种管材之间的连接。

航天飞机上的抛物面天线，体积庞大，完全展开后长达1.6千米，又不便在太空中临时装配。科学家们在较高温度下用形状记忆合金材料制造成型，再在较低温度下折合叠拢，在地面上压紧装好后送入太空，受到阳光照射后温度升高，天线便会在“记忆”效应作用下，自动展开恢复原来的形状。

在机械制造工业中，形状记忆合金材料同样大有作为。形状记忆合金具有感温和驱动双重功能。所以，不仅可将其制成紧固件用于紧固铆钉和电器接线柱等场合，还可将其制成热敏驱动元件。人们通过加装附属器件使单程的形状记忆合金元件具有双程功能，可根据需要重复双向可逆动作。用这种热敏驱动元件作为电源控制器，温度在一定范围内波动，由于形状变化就能够自动切断或接通电源开关。也可用这种材料制成启闭器，用于控制加工设备。俄罗斯科学家把具有双程功能的形状记忆合金薄膜装入汽锤开关中，快速地交替加热或冷却，薄膜就会交替伸直或弯曲，从而控制汽锤上下运动。这种汽锤不用压缩机，本身也不会振动。

镍钛形状记忆合金还是一种优良的医用工程材料。北京天坛医院口腔科与北京有色金属研究总院携手，利用镍钛记忆合金特有的记忆效应，设计并研制成功多种不同规格、用于口腔颌面各种颌骨骨折内固定的锔钉。这种锔钉无毒，无致癌性，且具有耐磨、耐腐性强，相容性好等优点。这种技术是从口腔内切口，把经过冷冻的锔钉固定在骨折断端两侧，然后用电凝加热器快速点热锔钉，锔钉受热后即刻恢复原形，紧紧咬住骨折片，使断端保持吻合固定，达到治愈的目的。还有一种用途是把镍钛记忆合金丝先做成螺旋状，在低温下拉直，利用器械输送到血管或胆道等阻塞处，当达到人体温度时它恢复到螺旋管状，即可使阻塞处畅通。

在日常生活用品上也可以利用这种合金。日本已开发出用形状记忆材料制成的记忆乳罩和记忆衬衫。在36~40℃的体温影响下，乳罩会自动凸显出优美的体态，而衬衫则会自动挺括、平直，不会因为洗涤而走形。用形状记忆材料做成的花、鸟、鱼、虫等各种装饰造型，只要浸入哪怕不太热的水中，一瞬间，花开放、鸟展翅、鱼摆尾、虫蠕动，栩栩如生，真如魔术般使人惊叹！