智能材料系统与结构

-1-智能材料系统和结构介绍摘要人类总是把自然作为工程的灵感，不论是在设计还是在执行上。在智能材料系统与结构领域的构思上，其发展也不例外。Zuk和Clark在《动力学体系》一书中写道：“生命本身是一种运动，从单个细胞到最复杂的组织——人类……正是运动、灵活、变化、适应这些特性将生命体置于比静态物质更高的进化程度上。事实上，这些生物的生存依赖于它们的运动能力：自我强健，自我医疗，自我繁殖，适应变化和适应环境……”创造一种更高级的材料系统和结构，使它具有感知、激励、控制和智能这些“生命”功能，这种构思鼓舞和激励了在这个新领域努力的开始。本文包括了关于智能材料系统与结构的一些较早的描述，并且介绍了与智能系统相关的各种概念、定义和分类。本文对智能材料系统领域中应用的一些驱动和传感材料作了简单的调查，并以此来举例说明已取得的进步和研究中的构想。引言“智能的”、“灵巧的”、“感知的”、“适应的”和许多其它的术语都用来描述或对材料和结构分类，这些材料和结构拥有它们自己的传感器、驱动器和计算控制能力或硬件。一个已提出的智能材料的定义是：具有固有的或完整的智能性，能对外加负载或外界环境等外界激励产生自适应的材料。这种材料的控制或智能是通过材料组成、加工处理、缺陷和微观结构来决定的，或者是适应不同等级激励的控制方式来实现的。智能结构可能简单的由智能材料系统构筑而成，组成驱动器、传感器和一些更为离散的智能结构。绝大部分早期的“灵巧材料”主要为嵌入式或分布式的压力和温度传感器。但是，目前在材料、驱动器、传感器和控制器领域，智能材料系统的复杂性和效用每月都在迅速发展。虽然智能材料系统和结构的观念可以应用到建筑、堤坝、桥梁、管道、船舶和各种运载工具的设计和落实上，但是目前的研究主要还是面向先进航空器、发射器和大型太空平台等航空航天领域的潜在应用。为了对相关学科的概念和差异有所理解，这里提出两个明确的定义。第一个定义是来自于Wada,Fanson和Crawley的一篇文章(1990)，在这篇文章中他们试图建立一个框架来对结构系统分类。第二个概念定义来自于Takagi，详细描述了-2-日本关于智能材料的概念。这两种概念在范例上表达了一致的观点，但也会从科学和工程两个方面进行举例对比。对于未来先进结构系统功能的需要，如太空系统、航空和航海舰船，促进了结构和材料设计的新途径。Wada，Fanson和Crawley由此尝试提出了一个总体框架来对各种将智能融入结构系统的方法进行分类，其主要兴趣在于精密太空结构的结构系统。如图1，阐释了他们提出的大概框架，包含了一个结构控制途径的清晰层次。下面对他们的定义和概念的解释选自他们的文章。两种最基本的类别是：感知结构，它们具有传感器，能够确定或监测系统的状态或性质；适应结构，它们具有驱动器，能够以一种控制方式改变系统的状态或性质。一个感知系统可能具有传感器用于健康监控，但不具有驱动器。相反的，一个适应系统可以具有驱动器用于一个被控制的部署，但不具有传感器。感知和适应结构的交叉点是控制结构，将传感器和驱动器置于同一反馈结构用来实时控制系统状态或性质。把这些系统统称为结构可能有点随意（可能揭示了作者的倾向），因为从原则上讲，一个控制结构应该是由一个常规结构和一个独立的控制系统组成，比如一个质量检验驱动器附在一个支撑结构上。也许这样定义的主要作用是将这些常规方法与下一个类别——活动结构区分开来。活动结构是一种高度集成传感器和驱动器的控制结构，除控制功能外还有结构功能。活动结构的混合本质是从简单方法出发，使其具有真正的集成化控制（或结构）系统。从逻辑的极端上讲，智能结构包含高度的集成控制逻辑学和电子学，提供分布的或继承的控制体系的可识别元素。结构可以从很多不同的意义上被控制。例如，控制系统的目标可能会影响到结构的机械性能。这包括机械状态（位置、速度等）。一个结构对驱动器使用速率反馈从而增加阻尼，这是一个机械控制的结构。热控制结构应该包括一个用来影响它的热状态（温度）和热性质（导热性、吸热性等）的控制系统。一个具有分布式加热器和热电偶的结构就是一个例子。甚至可以想象一种结构，其表面光学性能（色调和光强）可控，或者其表面电磁性能可控。智能材料在日本的概念日本科学技术机构的HarumitsuYoshimura博士于1989年3月在Tsukuba科学城举行的第一届国际智能材料研讨会上就日本感兴趣的智能材料做了简单的介绍。他说，几年前该机构开始调查发展一种根据环境变化能够智能地体现其自身功能的“材料”的可行性。智能材料的概念和定义开始被航空学、电子学和其它先进技术的相关机构和委员会广泛研究，那个研讨会的主席ToshinoriTakagi博士展示了这项研究的结果。Takagi博士介绍了一篇题为“智能材料在日本的概念”的文章，这篇文章本-3-质上是一篇详述讨论和结论的临时报告，是由材料技术委员会和下属委员会，航空学、电子学和其它先进技术的委员会，科学技术机构以及日本政府的成员共同准备的。这篇临时报告是一篇非常有地位的文章，介绍了智能材料在日本应用和研究的促动因素和概念（稍微修改过的文章也在《智能材料系统和结构》杂志上发表了）。这篇报告以这样开头：“科学与技术，在即将到来的21世纪里，将很大程度依赖于新材料的发展……我们认为'智能材料’是这样的新材料的主要候选者……”促使智能材料的概念做最初的调查似乎源于一个对材料科学历史的评估以及对日本人对开始掌握的科学的前景的纯粹假设。“材料科学的历史表明由结构材料向功能材料发展是一个十分明显的趋势。”因此，研究和发展的方向应该是创造“在某些方面甚至超过生物材料的超功能材料”。这种利用生物材料和系统的概念在智能材料领域并不陌生，但是，在美国，在复制和模仿生物材料上所关注的热点和实现的方式却大为不同。事实上，日本研究者普遍认为“生物材料可以被看作终极的材料”。日本科学界的主要关注在材料的发展上，美国更注重效用、功能和应用上。这两种途径的主要区别在于，美国科学界希望从自然中寻找实现各种各样功能的构想，比如，手臂如何能高度职能和准确的完成定位和摆动的控制任务？然而日本科学界从自然中寻找的是能够像生物材料一样实现适应功能的新合成材料的想法，比如，器官的肌肉结构能被合成吗？这篇报告全面和深入的评价了材料科学在日本的未来，令人印象深刻。对于智能材料概念的描述源于他们的定义：·智能材料可以定义为，自身功能可以随环境的变化而智能地变化的材料。但是，他们关于“环境”的定义并不非常清楚。这个概念通过将材料的“智能”分为三类来解释的，如图2。·基本功能——这个水平基本上组成了与传感器、效应器和处理器性能相关的本质上的适应功能（与“基本”的意义相同）。·宏观功能——这个水平包括材料中的内在智能。·社会功用——这个水平从人类的角度来考虑材料的智能，指的是材料的“性能”，可以分类为“友好的”、“理智的或不理智的”和“协调的”。这三种分类有一个智能和大概效用的等级。基本功能是通过“将软件系统合并到材料之中”来实现其宏观功能。然而，“即使‘宏观功能’这一类成功的实现……但从人类的角度看这些功能可能也算不上智能”。为了在材料中安装类似人类的智能，一个被称作“智能的表现”的步骤被采用以赋予以下功能：·人类友好·可靠性·和谐-4-·最佳的生命(并非尽可能长)·资源-经济的节约·热情·分析判断·综合的认知/判断·理性/非逻辑性这个概念给人印象最深刻的一点是,一个科学家委员会在政府机构授权下，在原先的科学技术上又协商定义了一种新技术。正如这篇概念的论文中描写的那样,其目标在于材料科学在将来的思想,而远甚于短期内技术的进步。很清楚的是,这个研讨会的一个目的是开始一个长期的教育计划来激发材料科学家们向“社会效用”努力。“材料中最基本的智能由三个功能组成,它们是传感器功能、受动器或驱动器功能、包括记忆功能的处理器功能。”这与在美国好几年以来被广泛接受的用来描述灵巧或智能材料的定义基本相同。然而,即使有这个定义,这个概念也不是非常清晰(也许永远不会)。为了阐明存在于这个技术的定义和实际努力实现这个概念两者之间的疑惑,可以考虑将“智能材料典型样例”认定为这个概念的一部分.一个被普遍接受的观点认为未来的智能材料应该满足,“如果材料能具有内在的智能,比如自诊断、自学习、预测/通知、随时行动的能力、刺激—反馈、认识/辨别的能力。例子包括：·表面颜色或光泽随负载而变化的材料……·外表随内部损坏程度而变化的材料……·机械或电性能随环境而变化的材料……·机械或电性能随负载而变化的材料……·化学组分随环境和/或操作条件而变化的材料,因此能够自我分解或恢复降解的性能……这些材料的例子似乎是用来描述传感器材料的,仅仅是基本功能之一,是（智能材料）概念的基础。关于概念的文章甚至评估了具有自调节功能的生物材料的实用性和可行性。这样的材料的例子如下:·具有自适应功能以激发人体内骨骼的生长的生物材料·具有自适应功能以替代人类皮肤、肝、肾、胰腺等的生物材料·药物传输系统Takagi博士提出的概念被应邀的参与者普遍接受。然而,委员会对于这个概念强调的重点,即单一材料可以包含所有的基本功能和抽象的社会实用功能,这一点目前并未被所有人认同,将会在接下来的讨论中阐明。同样重要的一点是，日本提出的概念并不同于任何结构概念，甚至“混合的”系统，而主要依靠本质-5-上单一材料的材料科学来提供这些智能的功能。以下部分将描述很多在研讨会中用到的定义和概念，以及许多前几年在美国讨论过的定义。这样的讨论的重要性也许在于让不同组的研究者达成共识；“功能必需引导智能材料的发展”。虽然智能材料系统的目的是为了有效地适应地实现某个指定的功能，这个科学的领域最早的发展并不快，直到这个领域的功能（定义）被很好的叙述和理解。这个定义可以或者说应该相应地调整以适应科学技术的发展。名字里蕴含了什么？在1988年9月，一个名为“ARO灵巧材料，结构和数学专题研讨会”的研讨会在维及尼亚工业州立大学举行。少数国内知名的工程师，科学家和数学家受邀参加，以讨论灵巧材料和结构的研究的过去和现在的状况。这个研讨会第一次尝试着正式定义通常被称作“灵巧或智能材料”的技术和科学。在那个研讨会作出的结论的基础上，作者写了一篇总结文章，包括题为“名字里蕴含了什么？”的一章。这一章是由研讨会的讨论引出的，是关于新研究领域的适当的名字。在日本的这个研讨会的过程中，他们研讨了一些相似的，称为智能材料的这个领域的定义和概念。为了补充完整，以下包含了来自ARO研讨会总结的摘录，以给出在日本的研讨会提出的几种新概念和定义的比较。ARO灵巧材料和结构研讨会将环境和材料传感器、机械驱动器以及电子信号处理和适应控制系统合并，用来制造针对特定传感输入的合适的输出器或驱动反馈，这样的材料在过去的几年被称作“机敏的”、“智能的”、“可感知的”、“生物的”。最近在美国航空局技术摘要上发表的一篇关于灵巧材料进展的封面文章中，提出了一个比较不同的定义……“灵巧材料的概念是基于材料的传感器合成，因此材料具备自身的‘神经系统’，能够感知外界情况并与其交流”。最近的出版物中包含和许多其它的定义，这些定义普遍集中在作者正在研究的这些技术和科学上。在研讨会中，所有术语都被应邀的与会者们使用和定义。C.A.Rogers博士(1989)开始介绍一个定义，将灵巧/智能材料解释为“包含分布式和/或整体的驱动器、传感器和微处理器功能”，他提出了适应材料和灵巧材料的区别，认为适应材料和结构仅是智能材料和结构的一部分。例如，一种由形状记忆合金补充成分组成的结构材料，可以弥补在吸收率和热扩散性能上的衰退，其中热扩散性能的衰退会导致这种或其他材料长度的过度变化，这种材料还可以控制结构的运动、振动、声音传播、强度和硬度。同样的材料可以被用来改-6-变结构或材料中的承载方式，这样，在部件导致系统灾难性的失败或无法接受的性能退化之前，部件就可以被替换成修理——只有把材料与传感器和控制信息相结合，才能叫做灵巧，否则只有适应性能。将适应技术、感知技术和控制技术相结合便是所谓的“灵巧”。紧接着，M.V.