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

2、、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

3、“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，详细描述了日本关于智能材料的概念。这两种概念在范例上表

4、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

5、。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

6、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Harumitsu Yoshimura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

7、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Toshinori Takagi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

8、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

9、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

10、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 最佳的生命(并非尽可能长) 资源-经济的节约 热情 分析判断

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、料可以被用来改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.Gandhi教授(1989)作了题为“创新的超先进智能复合材料”的报告，这种材料是由环氧石墨壳体内填充一种电流变液体组成。“施加在电流变液上的电场变化可以显著地改变液体的流变性质，从而改变这种超先进性复合结构的整体质量、硬度和耗散性能通过将基础现象理论、智能传感技术和现代控制策略相结合，来利用这些材料的创新性性能，并以此来促进这种创新性的

18、多功能、动态可调、超先进复合材料的进展” Gandhi教授关于一种填充了一种适应性材料（电流变液）的结构材料的分类包括至少四个限制的或适应性的描述语，其中包括“智能的”。几个其他的应邀与会者使用“智能的”术语代替了“灵巧的”。E.I.Rivin教授(1989)介绍了另一个术语“被动自适应结构”。Rivin教授描述了“灵巧的”被动非线性装置的细节，在一些情况下可以使用“灵巧”材料作为补充，以大幅提高临界振动控制系统的性能。他描述了“明智设计的被动非线性系统”如何“具有令人惊讶的对于环境变化的自适应能力”的潜能。这里Rivin教授使用了“明智设计”的装置，而G.L.Wikes教授(1988)则提出

19、“灵巧材料”可以简单的称为“设计和制造的良好材料”。这些定义当然包括最基本的必须条件，一般在其它的更复杂的定义中经常缺少这些条件。最后，H.H.Robertshaw教授(1989)提出了他的定义灵巧结构概念的原则和评价：完整的驱动器、传感器和用来指导驱动器的一些智能，这三个必备性质。Robertshaw教授认为“有机的”或许是最好的选择。“有机体的”暗示着生物作用，至少是肌肉骨骼作用，这些都是我们所尝试的，直接或间接模仿用于灵巧结构的。观察有机体的宏观和可能的微观行为，将指导我们发展目标，也可能发展结构和材料的驱动器、传感器和智能的机理。例如，人体手臂可以胜任任何高级任务（如，绘画，投掷，击打

20、或钢琴），可以视为有控制规则（智力）的可调节硬度的驱动器，这种驱动器具有显著的表面循环、预安排的行为。这些观察（和其他）可能对新灵巧结构的发展具有显著的影响。从所有这些和其他提出的例子，一下可以看作灵巧材料和结构的共性：1 传感器：他们具有嵌入的（或粘合的）或自身的传感器，可以识别和测量压力、拉力、热、电、磁、化学、辐射等刺激的强度。2 驱动器：他们具有嵌入的或自身的驱动器来响应刺激。3 控制机理：用来根据事先决定的关系来控制对刺激的响应。如果存在不只一个选择，也能够选择响应。4 响应的时间和性质：他们对刺激作出迅速的反应，当刺激物消失时，系统就回到它初始的状态。在引言中，研讨会的联合主席Iq

21、bal Ahmad博士提出了一些术语的定义，尝试对即将应用于这个兴起的技术科学的名字的一些探想和讨论。根据Webster国际字典，“灵巧”是：暗示活力、迅速的、活泼的、生动的表明感知的智力机灵和敏捷，敏锐的，明智的，机智的机警的和可疑的完整对于很多适应性的（驱动器）技术的描述和补充证明，事实上材料/结构是“生物的”和“活泼的”。具有完整的传感系统的材料和结构表现出“感知的迅速”，当然也是“明智的”，将整体控制具体化要加上“智力的灵敏”。然而，这个字典也将“智能”定义为：感知它的环境认识/领会和学习理解预知问题抽象地思考McGraw Hill 科技百科全书（第9卷第272页）定义智能如下：“综合

22、智力能力应归于大脑的一体化的和适应性能功能，它允许对新的和变化的情况作出复杂，非一成不变的和目的明确的响应，包括辨别、总结、学习、形成概念、推理，以及对记忆，图象，文字和抽象符号的精神上的操作，培养关系和相互关系，思考和解决问题。”很清楚，智能是与抽象思维和学习联系在一起的，这不会在任何形式的适应型和传感型材料或结构中实现的。Ahmad博士在他的介绍性的评论中，做了如下的提议，虽然没有被一致认可：“使灵巧这个词得到认可，并且将它定义为一类系统或材料的技术的术语，这类系统或材料具有内建的或自身的传感器、驱动器和控制机制，借此能够在短时间内，以预定的方式对变化的刺激作出感知和响应，并且当刺激消失时

23、它能够回复到最初的状态。”很多人这种材料系统“回复到它最初的状态”的用途和必要性提出了异议。但是，这个概念依然和所有其它已被提出的概念是一致的。智能材料的国际研讨会以上讨论了由日本科学技术机构提出的智能材料的定义和概念。然而，虽然他们的概念得到了广泛的支持，但是他们的定义目前并未被所有人接受。 Kiyoshi Takahashi博士(1989)提出“智能材料可以合理地定义为具有接近或者可能的话超过生物材料的特性的材料”，他也提出一个材料的层次，由结构材料开始，发展到功能材料，接下去是智能材料，最后是模糊材料。智能材料的概念包括功能材料提供的功用，再结合附加的性能，如判断/调节功能、自恢复功能、

24、自诊断和时间依赖功能。Isao Nakatani博士(1989)提出了另一个可能引起广泛支持的定义和概念。在他的文章中陈述：“具有智能的材料是这样的材料，可以通过处理各种类型的信号、环境条件和它自己的目的来作出适当的响应。智能材料具有特有的自主性、灵活多面性和对人类和自然高度的适应性。”即使上面描述的临时报告基本集中在具有智能特性的整体式材料上，Nakatani博士还作了如下陈述，这个概念在过去几年一直被美国采用，“材料向着智能方向的革命性发展，可能不能通过统一相或单一要素的简单结构实现，但可以用复杂的多成分结构唯一实现。”这个“预言”引导许多美国研究者考虑如：“智能材料系统”或“智能系统”等

25、名字，来更好地让我们的行动清楚，并朝着杂化复合系统方向发展。日本人发起的对智能材料和结构领域最令人兴奋的补充之一是仿生系统。来自英国、美国和日本的三位科学家讨论了利用仿生途径来设计智能材料和结构的基本原理和概念。Hideo Okamoto博士(1989)解释道：“通过研究生物体系里的“复合方案”，能够得到新的复合结构的思路这些复合物（自然界存在的）可能是具有适应环境的最佳结构的智能材料生物体系是在自然选择下被认为是适应他们的环境的最佳结构（例如，最小材料和最大长度的设计原则）。此外， 生物体系在连续不断的生长过程中维持他们的形态，自诊断，自修复、并且根据他们的环境复制它们的结构材料，从这个意义

26、上说，那些生物成分可以看作固有的智能材料。” Julian Vicent博士(1989)将智能材料描述为是“能够感受与痛苦等价的事物（如超载），并且能够用来制造自设计结构的材料”。他声称这些想法并不新，但却是生物材料体系得规则，是使用仿生途径来设计和模仿结构系统的基础。他以这个体系的一个具体例子继续说明：“使用与在生物材料中找到的同样种类的反馈概念，（纤维素和胶原蛋白合成压电纤维），虽然这个反馈概念很可能以不同的方式转换，这样的材料能够对他们的环境适应并相应，如果反馈回路连上计算机，学会对疲劳、超载等做出抵抗和反应，必须让结构自保护。Paul Clavert博士(1989)介绍了用自然的方法和

27、用传统工业的方法来得到结构材料的区别。“生物似乎在结构材料的化学组分上看不出多功能性，如何加工来获取不同性质这方面体现出十分微妙之处。人造材料一直以来都采取的是相反的途径，现在所应用的几乎全都是工程热塑性材料”仿生研究在高效选择、设计和智能材料的应用方面做出的贡献是巨大的。也许，日本的概念对美国来说最重要的一点就是更好的理解仿生研究的任务和功用的。这三位研究者也很快指出这个目标并不是简单的复制自然的材料或甚至他们的自设计的特性，而是研究自然的结构适应它的环境和外界的刺激的方式，并且根据自然模型来决定我们的人造结构的合适的功能响应。S.Tripathy博士(1989)提出了另一个智能材料的定义,

28、“一个智能材料可以定义为这样的材料，具有足够多的信息量来阐述其自身的组织和行为，这能够更好地使用这个组织，并具有执行和提高这样的智能功能的能力。在由日本科学技术结构提供的定义和概念或由美国军事研究处研讨会论证且提出的的概念都是十分有限的。虽然这种定义和概念的应用对于实现智能材料系统是很重要的一步，但是我们必须认识到它仅含有智能材料的重要基础（基本功能）之一，传感器。这个研讨会上介绍的绝大部分文章都是感应传感功能的。研讨会上的多数展示都是描述在生物材料领域的研究活动， Hiroshi Miyamoto博士在一篇文章中提出了关于两个超分子例子的评论-细菌鞭毛和脂质体，并理性地称它们为“智能材料的典

29、型例子”。蛋白质、核酸或脂油等超分子和生物分子通过自组织聚集成各种各样的细胞器官，表现出下面的非常复杂的特性：l 每个超分子都有其特定的功能，例如，化学物质的传递，生物分子的合成，化学能向机械能的转化；l 超分子通过自组装方式由组成的分子，不使用任何模板，能量和反应分析器l 它们转变它们的结构来响应环境的变化，这样他们就改变他们的性质来适应新环境。可以看出，用“智能”取代 “灵巧”或“适应”，重视了生物模型和在分子和细胞水平上复制生物材料的要求。然而，并非所有的将自身与生物的和人类比较的定义都会导致似乎偏向某个功能的狭义定义，如驱动，传感或“智能”。例如，Shirasake博士提出了如下见解，

30、“一般来讲，人类和生物体具有传感、驱动和控制能力的这些特征。如果材料具有这些性能，他们就可以定义为“活”的智能材料。在理想情况下，可以认为一个智能材料同时包含这三种性能，在控制性能的止血、反馈和自保养特性对生命体来说是必需的。 为了保持这些定义和概念在一个适当的位置，我们必须认识到，即便在首届智能材料国际研讨会上所有应邀介绍他们的工作的研究者实际上都朝着实现这个概念的方向完成了无价的研究，他们中的大部人在受邀之前都没有听过“智能材料”这个术语。到此为止，一共只有三次关于智能材料和结构概念的公共研讨论会：1988年9月的ARO研讨会，1989年3月于日本的IWIM和最近的1990年3月于夏威夷的

31、关于智能/灵巧系统的美日研讨会。然而，可以看到，美国和日本科学界都单独提出了相类似的概念和定义。精练这些概念和定义，并且不仅在我们自己的学术界而是世界范围内达成共识，这似乎还需要很长一段时间。有可能，科学设计进展到某种程度，得到的概念最好是抽象概念，这样每个人都可以仔细考虑并激发未来材料和结构的创造的新途径。在Leiw Carroll穿过窥镜书中是那个权威的矮胖的人将“壮观”这个词定义为“一个非常激烈的争论”的意思。当Alice反对时，那个矮胖的人反驳说：“当我使用一个词时”，他说，“我选择它用来表示什么他就是什么意思-不会多也不会少，”现在智能-灵巧-适应材料系统合结构也在以 “窥镜”相似的

32、方式被定义，虽然还没有关于应该使用的术语的一致意见，但是在最终目标、挑战或梦想上好像还是有共识的-幸运的是在这个想法上有一个国际范围的信念和一致的意见。然而，几年以后很可能，一套统一标准的术语被世界认可。采用“智能材料系统与结构”这个术语的明显的倾向是存在的。致力于这个新科学领域的最近的第一个国际科学杂志的出版物“智能材料系统与结构期刊”认为，这个术语将继续被越来越多的人接受。我们的境况不是唯一的。在最近的一篇由美国机械制造杂志机械制造学会编辑R.M.Haythornthwaite写的社论中，他描述了一个也许在我们所处的科学年代和“机械制造”领域的高度发展中让人相当惊讶的问题。他写道，“所缺的

33、是一个单词，来指代作为机械制造从业者的我们行业的平民，”Haythornthwaite通过参考基本关于“机械制造从业者”定义的权威文献和字典，继续阐述了这个问题。这个问题具有根源的，在给Hery Billingsley写的欧几里得翻译的序言中，John Dee提到机械师，作为“不用数学证明的知识”来制造仪器的人，主要是指一个技工，并且这个定义在Webster的学院字典第九版中出现了，发现机械师与机械工、修理工是统一的。Random House英语字典将机械师定义的更广泛，将其定义为“具有建造、操作或修理机器的技能的人”因此，在四百年的跨度内，“机械师”这个术语并没有通过理论与分析和理性理解相结

34、合。显然，与这个新材料系统革命相关的科学界并没有像机械制造界现在拥有的遗产和传统。我们非常怀疑是不是任何一个科学领域或努力都被某个委员会命名，形容或定义。因此，用那个矮胖人的流传至今的话，我们在自己的“荣誉”中驱动器和传感材料这个令人激动的概念的基础是，组成材料被用来表现效应器和传感器的性能。下面描述了许多更“有趣的”材料来尝试着阐明：1）寻求新的驱动器和传感器材料发展的重要性；2)相对陌生却相对“古老”的材料的独特性能；3）目前正在研究的用于航空和航海方面的功能，可能应用在土木工程结构上。形状记忆合金美国海军炮兵实验室的Beuhler和Wiley(1985)接受到了一个美国专利，这个专利是关

35、于一系列具有独特的机械的（形状）“记忆”的工程合金。这个系列的合金的通用名字是55-Nitinol。这些合金的化学组分中含有镍的质量分数在53%至54%的范围内。在未来的十年中，将花费很大努力来表征这些材料，并利用其显著的形状记忆效应和不寻常的机械性能来发展新的应用。自从发现55-Nitinol以来，海洋炮兵实验室（现在叫做海洋海面战斗中心）在表征镍的方面一直很活跃。几个其他的实验室在早期也对Nitinol的理解作出了意义重大的贡献，尤其是Battelle纪念学院和美国航空局。形状记忆效应(SME)可以很简单描述如下：一个在低温马氏体条件下的物体所塑造的形状，撤去外界压力，当加热时，会恢复他的

36、原来的（记忆）形状(如图3)。这个过程或现象是在加热过程中发生的马氏体形变的结果。虽然，形状恢复进行的准确机理是一个争论的话题，在过去的二十年已经了解许多关于这类材料的独特性能(Jackson等,1972; Schetky，1972；Wayman和Shimizu，1972)。但是，很显然，恢复到原来形状的过程与由矫正马氏体相到更高温度的奥氏体相的逆向转变是相联系的。具有适当成份的镍钛合金显示了独特的机械“记忆”或恢复力的特性。这个名字源自镍钛海军炮兵实验室。镍钛结构的形状恢复性能是显著的。这种材料能够在它的低温马氏体相中塑性形变，然后通过加热到本征转变温度恢复到原来的外形或形状。这种不寻常的行

37、为仅限于含有近等原子比组成的镍钛合金。通过加热材料以使它转变到奥氏体相，就可以完全恢复典型的6%到8%的形状应变。抑制材料恢复到其记忆形状可以产生100，000psi的压力(图4)，同时产生大约12，000psi马氏体镍钛诺的扭曲力(图5)(Cross,Kariotis,Stimler,1969)。镍钛诺的机械性能关于温度的函数关系如图5。这些力和位移的性能被用于电机械驱动器(Liang和Rogers，1990)。在理解“形状记忆效应”的本质方面已经有了实质上的进步。在过去的二十年里发表了很多文章，提出了这种不寻常的合金的详细的热、电、磁和机械特性(Goldstein，1978)。一篇早期的完

38、整的评论是由Cross,Kariotis和Stimler发表的。形状记忆合金的杂化复合物这篇文章中涉及到的如SMA杂化复合物一类的材料仅仅是含有形状记忆合金纤维（或膜）的混合材料，可以通过加热使其变硬或被控制（如在纤维内通电流）(Rogers和Robertshaw，1988a，b)。以下非常简明的解释了形状记忆合金以及它们显示特有的形状记忆效应的机理，Liang和Rogers(1990)做了更详细地解释。我们需要更多的了解残留压力和高温对SME的长度、持续时间和重复性以及对镍钛诺的动力驱动和传感特性的影响(Barker,1989)。高温可能是复合物制造和加工的结果。形状记忆合金杂化复合物在为材

39、料-结构交互范例方面的创新有巨大潜力(Rogers,1989)。在科学领域可能与形状记忆合金加固的复合物相关的新方法影响的名单是相当多的。例如，振动控制可以有与普通压电系统相似的分布式力驱动器的性能来实现。但是，可以用两种独立的方法来活动的控制一种材料，改变它的硬度、物理性质，在第二种情况下，不用结构而加上分布式负载：1)活动张力能调整，和2)活动属性调整。模拟结果将介绍如下，表明了形状记忆合金增强型复合物改变合成金属板的形态响应的潜力。稳态振动控制也可能用于结构的声音控制，可以用形状记忆合金杂化混合物，使用称为“活动性能调整”的新技术来实现。通过简单地加热在薄板里的嵌入在或结合在结构中的形状

40、记忆合金纤维来改变所有或部分结构的硬度，可以调整或修改一个结构或机械的成份的形态响应。当加热镍钛诺使其由马氏体相向体相转变。在“活动张力能调整”中(Rogers和Robertshaw,1988b)，形状记忆合金纤维以这样的方式置在结构中或上，即当开动时结果没有偏差，取而代之的却是结构处于一种“残留”压力的状态中。这个最后存储的张力能（拉紧度或压缩度）改变了结构的能量平衡并修改了形态的响应，很像给吉他调铉(Rogers和Barker,1990)。几种复合材料的形状可能用于活动张力能调整。在两种情况下，形状记忆合金纤维都是嵌在材料中从而成为材料不可或缺的一部分。在第一个形状嵌入纤维之前，形状记忆合

41、金纤维的形状被拉长，并且通过给复合材料加高温来抑制纤维收缩至“原来”的长度。因此纤维是复合材料/结构的整体的一部分。当纤维被加热，通常是在形状记忆合金中通电流来实现的，纤维“试图”缩回它们“原来的”长度，因此在沿着纤维的长度方向产生一个很大的均匀的分布式剪切负载，于是这个剪切负载改变了结构中的能量平衡，从而改变其形态响应。使用几种技术就可以利用SMA杂化复合材料来完成瞬态和静态振动控制。这里瞬态控制定义为，通过向结构中施力来抑制或降低结构震动的能力，用这种方法就能消耗结构中的能量。这个一般是通过向结构中施加点式横向负载或在结构表面使用一个“驱动器薄膜”来实现的。与SMA增强型复合物相关的方法是

42、，简单的将驱动器嵌入那样的结构中，当正确驱动时，它们受到偏离中心轴的收缩-反收缩力从而减小振动(Roger和Robertshaw,1988)。还有很多其他形状，比如在复合薄板中制造“套管”，这样塑性拉长的形状记忆合金就能插入其中并被两端夹住。当加热形状记忆合金时，纤维试图以上述的方式收缩。套管里的纤维将在结构的末端施加一个集中力，这个力的方向是在纤维被夹住的点处正切于结构的方向。嵌入式纤维与套管中纤维的不同在于，前者中形状记忆合金的力分布在纤维的长度上，而后者中力集中在结构的端点。SMA杂化复合材料的应用延伸到的领域已经远远超过振动控制任务。可以想象主动形变控制或更普通的结构修整方案，在这当中

43、复合材料中的SMA纤维变硬以改变结构的临界断裂负载(Rogers,Liang和Jia,1989)。Baz和Tempe(1989)已指出分立的镍钛诺驱动器可以用来控制柔性结构的弯曲。用作各种振动控制任务的SMA复合材料又可以用作动作或形状控制，使结构能在更长的时间范围内维持给定的形状或方向。运动和形状控制可以同时运用力驱动器（SMA）和硬度驱动器（加热SMA来改变其弹性系数的技术）来制造一种很像机械肌肉的结构。通过使用上述用于瞬时振动控制的技术可实现运动和形状控制，除了希望长时间维持给定形状或方向的结构。长时振动控制中物理的、热的和控制设计都比瞬时的要严格的多。用作各种振动控制任务的SMA复合材

44、料又可以用作动作或形状控制，使结构能在更长的时间范围内维持给定的形状或方向。运动和形状控制可以同时运用力驱动器（SMA）和硬度驱动器（加热SMA来改变其弹性系数的技术）来制造一种很像机械肌肉的结构。另一种可能的设计方法是用脉冲信号驱动单个纤维，很像人体肌肉里的单个肌肉纤维的驱动方式，全有或全无。电流变液电流变液可以通过加电场改变其流动特性，正在改变电机械装置的构想方式。电流变液的适应性响应仅需毫秒，以与电场强度成正比的逐渐胶化的形式响应。当无电场时，电流变液则像水或液压油一样自由流动。如果电流变液胶体受到一个足够大的剪切力，它就流动。但是当施加的剪切力低于临界值时，胶体表现的像一个固体，具有可

45、测量的硬度。这个现象具有很多不同寻常的工程应用，例如无滑动式液体离合器、无活动部件的阀、可调阻尼器和振动隔离器，此外，电流变液对电场变化的高速响应能够加速系统响应，例如，电机械或电流体装置的控制循环。四十年前，W.Winslow首次报道了在矿物油中高度分散的淀粉或二氧化硅胶体悬浊液的电流变特性。当置于4kv/mm数量级的电场中，这类液体的流动阻力随场强而增大。电流变液效应需要的成分是分散在介质液体中的颗粒（通常直径在1到100m之间）。在某些情况下，还需加入表面活性剂，这是一种帮助颗粒悬浮在液体中的物质。一般的，电场是在1mm距离上加4kV数量级的电压来实现的。但是，能量很小，所以电压并不致命

46、的或危险的。在液体两边加上电场后，使得颗粒上的正负电荷分离，于是每个颗粒都有一个正极和负极。正如一个磁铁的北极会被另一个磁铁的南极吸引，颗粒间也会相互吸引，从而在电极之间形成链，就像磁场中铁粉排列的方式。颗粒间的相互吸引和它们的排列导致了电流变液的独特流动性质。当撤去电场，颗粒表面的电荷不再分离，液体恢复到它无电场时的流动特性。目前电流变液的研究热点是寻找这样的颗粒/介质液体结合体，当加电场时，具有低的能量损耗并能够承受高的剪切应力，当去掉电场时，具有低粘性。当电荷在颗粒间转移时，电流变液中就产生能量损耗。由于低能量损耗的需要，颗粒/液体结合体的选择应该能加强电荷分离，从而阻止颗粒间电荷的流动

47、。早期的电流变液以矿物油为介质，使用淀粉或二氧化硅颗粒，并含有吸收水以分离电荷。不幸的是，水的加入也提高颗粒间电荷的流动，尤其在高温时。最近英国的Lord研究中心和Cranfield技术学院研制了他们的不需要水的颗粒，结果使液体在更高的温度范围内工作。最近的电流变液，大部分都是基于聚合物、矿物或陶瓷。有这么多类可用的材料，电流变液的设计者们可以根据应用需要来搭配颗粒的最合适的性质。介质液体必须是好的绝缘体，并且能和与它们接触的材料兼容。在今天的电流变液材料中通常采用的介质液体有硅油、矿物油或氯化石蜡。通常，硅油和矿物油可以提供了最佳的交换平衡，因此，具有最广泛的应用前景。在设计使用电流变液的装

48、置中的最大一个问题是，如何克服颗粒沉降的趋势如果液体保持静止一段时间。这个取决于某种颗粒/液体结合体，装置形状和其他因素，持续时间可以从几小时到几星期。沉降可以在某种程度上被控制，通过调节颗粒尺寸或使用表面活性剂来阻止颗粒相互作用和团聚倾向的。另一种稳定技术是使介质液体的密度与颗粒的密度相配。虽然密度匹配是个很好的原则，但却很难实现，因为它严重限制了能在特定介质液体中使用的颗粒的选择。另外，因为颗粒的热扩散系数通常与介质液体的不同，搭配密度就只能在很小的温度范围内表现得好。基于特有颗粒的新的电流变液表现出比早期水-二氧化硅体系更好的性能上的进步。水体系电流变液的主要缺陷在于电流变效应的损失和高

49、温下非常高的传导性。水体系的最高温度限制是大约80，油体系则可高达200。油体系电流变液的传导性非常差，在-10到+120范围内每增加12，则其传导性增加一倍。某些实验用的油体系电流变液传导性增加一倍需温度增加达到16。对比之下，水体系的电流变液通常每6到7其传导性就增加一倍。因此，在油体系中随着温度升高，能量损耗的增大得慢多了。形状记忆聚合物形状记忆聚合物(SMP)在日本和美国获得了极大的关注。形状记忆聚合物在智能材料方面的大范围的新应用正在发展当中，可以应用在机械部件、汽车部件、医学领域、服装、运动器械、房屋应用、玩具、包装等等。许多应用已经实现，更多的应用将被引入并进入市场。一般的，形状

50、记忆聚合物是一种具有“弹性记忆”的材料意思是在超过玻璃体转变温度以后弹性模量发生了一个很大的可逆变化，在超过以后，材料从玻璃体态转变到橡胶态（图7）。在温度附近弹性模量发生了一个很大的变化，同时温度变化引起了明显的形变。温度增加使得材料变得更加富有柔性，因此很容易变形，温度减少使得材料变硬并能维持新的形状。但是直到最近，由于形状记忆聚合物具有很高的温度和较差的可操作性，其大范围应用还有很多的限制。自从日本Nippon Ieon 公司介绍了第一代形状记忆聚合物以来已经有6到7年了，第二代形状记忆聚合物是Kuraray公司在1987年研发的，紧接着是1988年三菱重工公司和Asahi化工公司进入S

51、MP市场。与Nippon Zeon研发的SMP相比，现在的SMP已经取得了很大的进步，尤其在加工领域和更大温度范围的利用性方面。Nippon Zeon的SMP是基于降莰烷聚合物的，温度范围在35度到40度之间。基于降莰烷聚合物的SMP有许多限制性处理能力。模塑可以通过压缩来实现，可以用于塑料管和汽车部件等方面的应用。Kurary的SMP是基于trans-isopolyprene的，温度为67度。至于可塑性，基于trans-isopolyprene的SMP和Nippon Zeon的SMP一样受到限制。Asahi chemical的SMP是基于苯乙烯-丁二烯的，其温度范围在60度到90度之间，这种

52、基于苯乙烯-丁二烯的SMP可以打击模塑和注入模塑也可以压模，并且能够像典型的塑料一样很容易被加工。同样，聚合物可以被着色和回收，其温度在60度到90度之间，把其应用限制在了一定的水平上。三菱的SMP是基于聚亚安酯的，并且克服了早期的SMP加工能力差、受温度范围的限制的一些弱点。这种基于聚亚安酯的SMP的宽范围的温度（室温/50度）具有独特的实用性，每1度都可以对应特殊应用的需要。同样它也可以像典型塑料一样被加工。另外三菱重工业公司不仅为不同类型的模塑提供了小球，还提供了不同形式的聚合物，包括注入的解决方法和泡沫，这些很快就可以实现。另外聚合物耐用、轻、透明并且可以被着色。目前已经发展的应用很少

53、（工程或玩具的自动阀门），然而三菱的SMP的潜在应用包括汽车部件、医学和牙科领域、运动器械、房屋应用和包装等等。在应用过程中，聚合物既可用于弹性记忆也可用于形状记忆材料。弹性记忆材料的一个例子是包含外部力的温度传感器。接下来的图表显示了温度变化转变为应变变化的过程。由于大的模量比这些变化显得非常有用。双金属也具有相同的功能，但是SMP对给定温度变化所产生的形变要比双金属材料大的多，所以相同的机制，SMP可以获得更高的灵敏度。这种机制促使了内燃机自动阀门的发展，许多其他可能的应用包括可以由液体的温度变化来控制的自动阀和 。SMP的其他应用是作为形状记忆材料。进一步可以分为两类：1)仅仅是形状恢复

54、的使用，2)形状恢复的使用同时伴随着它产生力。许多可能的应用是压缩部件、夹针和玩具的捆绑细片。目前，聚合物主要有3种形式（小球形式，两元素液体树脂类型，溶液类型），其应用范围非常广泛。下一页中将详细介绍聚合物的实用性和标准阶段的机械特性。请相信，这种聚合物将成为很多人一直在寻找的新材料，美国三菱重工业公司正在积极地为潜在的使用者提供样品和信息。传感器技术光纤传感器纤维光学可以追溯到20年前，刚进入通讯领域并使其发生了革命性变化。光纤光学的成功得益于光纤通讯拥有许多其他技术无法比拟的优势(Turner等人， 1990)。Main(1985)列举了如下优点：l 不受外界电磁的干扰l 避免“串线”l

55、 传输信号可以是非定向的；l 传导相遇时，不存在接地环路和不同电压偏移的问题l 超高速数据传输速度可以达到GHz或者更高l 可用许多方法实现单一信号的多路化l 减少传输能力的相应的造价l 更低的损耗和更少的电能消耗l 更高的安全性以防范信号传输的“窃听”l 极大减小电危险性，并且不存在线路弯曲和放电的问题l 对环境条件的高抗性l 比电缆更薄、更轻、具有更好的抗震性10年前，光纤进入传感器技术并开始使其发生根本性变化。作为传输器，光纤可以说是个奇迹，因此，出于同样的原因，光纤被用于传感器信号的发送。光纤光学在外加型传感器得到应用。光纤光学传感器可以被分为两类。在外加型传感器中，光纤仅作为光线传输

56、器件，不具有任何的感应功能。作为这类传感器的一个例子是，光纤通过检测波束的突变来探测光源。这类传感器经常用于机器人对加工部件的感知。而内在型传感器利用光线自身的特性来观测现象或量化测量。这种传感器的一个例子是对辐射感应发光进行辐射探测。表1列出来光纤的内在可测量。图表1光纤传感器(Main,1985,Mann,1985)变量原理力人工双折射压力压电效应挠度压力吸收密度变化发光特性电场电光效应介电极化电致色差电流电致发光磁场磁光效应，Farraday效应温度热量随折射率、吸收特性、荧光效应、热致发光的变化光电辐射折射率和吸收特性的变化X-射线；伽玛射线辐射感应发光化学组分的变化光线吸收和折射率随

57、化学效应和化学发光的变化光纤光学的未来真的很让人激动，可以用来发明更多复杂的传感器(Measures,1990)。未来的传感器会使得现在的传感器显得笨重和辛苦(Main,1985;Mann,1985)。光纤传感器正在迅速地商业化应用，并且应用到越来越多新的领域。应用的例子非常多，这里提供的一些应用实例和研究进展对于一项技术的提出和实现具有指导意义的。在1979年和1980年，美国国家航空和航天局的Langley的实验证实利用内嵌式光纤可实现对低温复合材料的测量。此后，人们对利用光纤干涉、吸收、衰减、形态域和时域传感器在复合药剂的评估、服役结构组件的监控、无损材料以及毁坏的探测与评估等方面的应用

58、作了大量的工作。Claus, Jackson和May（1985）提出了嵌入复合材料的光波导，这种光波导通过折射率和光纤信号的处理可实现二维动态应变的探测。Su(1985年) 通过利用电子吸收效应表明光纤具有对磁场感应的能力；Martineli（1984）研究了利用纤维光子干涉效应测量形变和振动。Baumbick(1985)提出纤维光学和光学传感器在恶劣环境的推进系统中的应用。Bucholt, Kersey 和Dandridge（1986）描述了基于应变转化原理的DC和低频段的光纤加速器。两个独立的资料均提到了光纤传动器的可能性(Collier,McGlade和Stephens,1985; Morikawa,1985)。 尽管这是个新的技术，Collier，McGlade和Stephens认为总的电信号的隔离可以通过光纤传动器和光纤传感器中实现一篇题为“光控制”的文章，