人工智能材料响应环境变化的含义

人工智能材料 （Artificial Intelligent Materials, AIM）是一种结构灵敏性材料，它有三个基本特征：能感知环境条件的变化（传统传感器）的功能；识别、判断（处理器）功能；发出指令和自行采取行动（执引器）功能。 人工智能材料按电子结构和化学键分为金属、陶瓷、聚合物和复合材料等几类，按功能又分为半导体、压电体、电致流变体等几种，例如：具有热阻效应、湿阻效应、电化学反应、气阻效应和具有自诊断、自调节、自修复功能，可用于快速检测环境温度、湿度，取代温控线路和保护线路；利用电致变色效应和光记忆效应的氧化物薄膜，可制作成自动调光窗口材料，既可减轻空调负荷又可节约能源，在智能建筑物窗玻璃上有广泛应用前景；利用热电效应和热记忆效应的高聚物薄膜可用于智能多功能自动报警和智能红外摄象，取代复杂的检测线路；利用有光电效应的光导纤维制作光纤混凝土，当结构构件出现超过允许宽度裂缝时，光路被切断而自动报警，可取代复杂的检测线路。 人工智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料后的第四代功能材料。显然，它除了具有功能材料的一般属性，（如电、磁、声、光、热、力等），能对周围环境进行检测的硬件功能外，还能依据反馈的信息，具有进行自调节、自诊断、自修复、自学习的软调节和转换的软件功能。人工智能材料是制造智能传感器的极好材料，也是当今高新技术领域中的一个研究热点课题。

智能材料是新材料的一种，其中智能材料可分为两大类：

（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。

（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。

具体来说，智能材料需具备以下内涵：

(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；

(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；

(4)反应比较灵敏,及时和恰当；

(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。

2、智能材料的分类

2.1 按产生方式分类

智能材料按产生方式可分为天然生物智能材料和人工智能材料。

前者主要指有机活体，如人和动物的皮肤、骨骼、肌肉、脏器、血液、毛发等；后者是人为制造的具有智能功能的材料，一般简称为智能材料，是高科技发展的产物，它大多是在前者的启发下而发展的，这时又称为生物拟态材料。

2.2 按驱动方式分类

智能材料结构按驱动方式可以分为两种类型：

一类是嵌入式智能材料，又称主动式智能材料；另一类是材料本身具有一定的智能功能，又称被动式智能材料。

前者在基体材料中嵌入具有传感动作和控制处理功能等三种原始材料。传感元件采集和检测外部环境给予的信息，控制处理器指挥激励驱动元件执行相应的动作，即材料在感知所发生的变化后，需要通过外界的反馈系统作用在材料上使其发出所需的变化，如压电陶瓷传感器与压电陶瓷驱动器结合起来，通过外部反

馈电路进行驱动；后者是某些材料微结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间改变自己的性能。例如自滤波玻璃、变色太阳镜和受辐射时性能自衰减的InP半导体等。

2.3 按材料基质的不同分类

智能材料按材料基质的不同又可分为如下几类：

2.3.1 金属系智能材料

可以通过在1微米尺寸的微小空穴内埋入一种断裂时能产生声波的物质来检知裂纹，判断材料结构本身的寿命和预告异常现象，并利用材料中埋入的另一种物质（能产生应力、相变），受裂纹部位应力作用所产生的相变来抑制和自己修复裂纹，或者利用材料中所含的成分自动析出来填充间隙实施自己修复。日本等国正在研究使金属材料具有如下功能，即当材料发生变形、裂纹等损伤和性能恶化时，借助颜色、声音、电信号等检知这些现象的自我诊断功能! 以及利用由应力引起的相变使应力集中缓和的自我修复功能。

2.3.2 无机非金属系智能材料

智能陶瓷具有很多特殊的功能，它能像有生命的物质例如人的五官那样感知客观世界，并且这类陶瓷还可能动地对外作功，发射声波、辐射电磁波和热能，以及促进化学反应和改变颜色等对外作出类似有生命物质的智慧反应，很多智能陶瓷具有自修复和候补功能，它使材料能抵抗环境的突然变化，部分稳定的抑制开裂就是一个很好的例子，它的四方—单斜相变!能自动在裂纹起始处产生压应力来终止裂纹扩展。在纤维补强的复合材料中，部分纤维断裂释放能量，从而避免材料整体进一步断裂。陶瓷变阻器和正温度系数热敏电阻是智能陶瓷，在高电压雷击时，氧化锌变阻器可失去电阻，使雷击电流旁路入地，该电阻像候补保护那样可自动恢复，电致变色是指材料在电场作用下而引起的一种颜色变化!这种变化是可逆的并且连续可调。利用电致变色材料的这种性质构造的玻璃窗具有对通过的光和热的动态可调性，这种玻璃装置称为智能窗。颜色的连续可调意味着透过率、吸收率及反射率三者比例关系的可调。至于智能混凝土和智能建材等!在工程和建设中有着更广泛的应用。

2.3.3 高分子系智能材料

高分子凝胶为高分子在溶剂中的三维网络，其大分子主链或侧链上有离子的解离性、极性和疏水基团，类似于生物体组织，它可因溶剂种类、盐浓度值、温度的不同以及电刺激和光幅照不同而产生体积变化。它是基于分子水平（分子结

构）、高分子水平（结构和形态的变化）大分子间水平（大分子间相互作用、可动离子压力及熵压力）变化的刺激响应性。智能高分子材料作为生物医用材料，其应用前景明确，如用它制成药物释放体系载体材料，则这类DDS可依据病灶所引起的化学物质或物理量（信号）的变化，自反馈控制药物释放的通—断特性。如血糖浓度响应的胰岛素释放体系，可有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平，这是利用多价羟基与硼酸基的可逆键合作为对葡萄糖敏感的传感部分。

高分子膜材具有物质渗透和分离功能!现正以生物膜的模型研究开发刺激响应性多肽膜。利用可逆的构像及分子聚集体变化，制成稳定性优异的膜材，它对物质的渗透速率可随钙离子浓度、pH值及电场刺激而变化，这类研究集中于增大响应敏感度和改善其通—断控制等。

6.1在军事领域中的应用

6.1.1 智能蒙皮

光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。

结构监测和寿命预测

采用光纤传感器和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；

空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。

6.1.3 环境自适应结构

智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。

6.2智能材料与住宅智能化

6.2.1 多功能砖

具有变通性和智能性。

主要由四个分层构成：

第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道；第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料；第四层面膜是砖材的最上层，也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。

6.2.2 食物器皿

在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。

6.2.3 座椅

用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。

使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和d性，也可以形成各种型式的椅座面。

毫微塑料可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。

由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，座椅还可以随心所欲地升温和降温，甚至对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。

6.3与现代医学相联系的智能材料

6.3.1 人造肌肉

生物d性材料能模拟活体生物，而且其力量 和反应速度均接近于人体的肌肉。生物d性材料可以应用于人体组织的修复， 具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会 消失。

人造皮肤

意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料。

材料可以感知温度、热流的变化以及各种应 力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如,粗糙度、摩擦力等。

6.3.2 在药物自动投入系统上的应用

科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血 糖浓度始终保持在平常的水平上。

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