仿生智能材料研究

仿生智能材料研究仿生智能材料研究 浅识仿生智能材料背景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 构思多年来 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 智能材料的特征设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合 和材料的仿生设计 因此智能材料系统具有或部分具有如下的智能 功能和生命特征 1 传感功能 Sensor 能够感知外界或自身所处的环境条件 如 负载 应力 应变 振动 热 光 电 磁 化学 核辐射等的强 度及其变化 2 反馈功能 Feedback 可通过传感网络 对系统输入与输出信 息进行对比 并将其结果提供给控制系统 3 信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其 积累起来 4 响应功能能够根据外界环境和内部条件变化 适时动态地作出 相应的反应 并采取必要行动 5 自诊断能力 Self diag nosis 能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况 对诸 如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正 6 自修复能力 Self recov ery 能通过自繁殖 自生长 原位复合等再生机制 来修 补某些局部损伤或破坏 7 自调节能力 Self adjust ing 对不断变化的外部环境和条件 能及时地自动调整自 身结构和功能 并相应地改变自己的状态和行为 从而使材料系统 始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应 如果内容太多 可以把5 6 7直接写成同时还具有自我诊断能力 自 我修复能力 自我调节能力 一般来说智能材料由基体材料 敏感材料 驱动材料和信息处理器 四部分构成 智能材料的仿生特点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 仿生智能材料的应用1 建筑方面科学家正集中力量研制使桥梁 高 大的建筑设施以及地下管道等能自诊其 健康 状况 并能自行 医治疾病 的材料 英国科学家已开发出了两种 自愈合 纤维 这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀 并能自动粘 合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀 2 在飞机制造方面科学家正在研制具有如下功能的智能材料当飞机 在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时 机翼中的智能材料能迅速变形 并带动机翼改变形状 从而消除涡流或逆风的影响 使飞机仍能 平稳地飞行 可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统 3 在医疗方面智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响 应的假肢 这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动 利用其可控的形状回复作用 力 灵巧地抓起易碎物体 如盛满水的纸杯等 4 军事方面在航空航天器蒙皮中植入能探测激光 核辐射等多种传 感器的智能蒙皮 可用于对敌方威胁进行监视和预警 智能皮肤的成功研究 智能生活用品等等 展望智能材料具有感知 控制和驱动的功能 近年来已经成为材料研 究的热点 其与传统结构材料相比