忘掉那些笨拙的旧砖瓦水泥吧:工程师们正在用奇异材料设计未来的设备,这些材料融入了化学开关或机械传感器,以提高其性能。这些“智能材料”才刚刚从实验室中走出,但很快你就可以在从笔记本电脑到混凝土桥梁的各种事物中找到它们的身影。
在最近于圣地亚哥举行的一次会议上,与会者得以一窥仍在建设中的智能未来。物理学家、化学家、计算机科学家、土木工程师,甚至洗衣机制造商等各色人群聚集一堂,交流心得,并互相展示一系列以新颖方式伸展、扭曲、测量或响应的发明(只需快速浏览会议议程,就能清楚地看到这种多样性)。与此同时,会议的主题演讲者——最引人注目的是马里兰大学的詹姆斯·S·西尔基斯——就如何定义这个新的跨学科领域争论不休。
权威人士总结说,统一该领域的共同目标是通过将传感器、处理器或执行器嵌入到更大的物体中来增强普通物体或创造非凡物体。然而,另一种解释可能是,“智能材料”这个包罗万象的标签为爱玩的工程师们提供了借口,让他们可以用聚合物、光纤和微处理器做一些很酷的事情。
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当然,圣地亚哥不乏创造力。智能材料的应用涵盖了广泛的领域。凯斯西储大学 Jeff M. Melzak 的团队正在将硅压力传感器嵌入到固特异轮胎中,以提高燃油经济性并减少磨损。陆军研究人员正在直升机旋翼叶片内部放置压电晶体;这些晶体产生反馈响应,旨在减少驾驶舱内的振动和噪音。
伊利诺伊理工学院的 Philip R. Troyk 构建了无线传感器,其尺寸不大于一颗米粒大小的脆米球。植入患者肌肉后,这些设备可以通过无线电将局部神经活动的信息传递到外部计算机。这些设备还可以通过磁感应接收电力,并发出轻微的电击,刺激肌肉活动。
在会议上展示的一些发明似乎具有相当大的前景。考虑一下
先进的液晶显示器可能很快就会提高任何使用笔记本电脑和手持电脑的人的生活质量。肯特州立大学的一个团队正在推销一种新型液晶技术;它应该会带来平板彩色显示面板,其分辨率和成本都比目前最先进的 LCD 更好。智能晶体显示器还将消耗更少的电池电量,使便携式设备更接近其实际意义。
以可控方式膨胀和收缩的人造肌肉可以在机器人技术、医疗植入物,甚至虚拟现实中找到广泛的应用。在智能材料会议上,新墨西哥大学的研究人员展示了一种人造肌肉物质,它的强度是人类肌肉的两倍,收缩速度几乎一样快。
嵌入式传感器提供了一种监测承受大量磨损的结构健康状况的方法——仅举两个例子,混凝土桥梁和破冰船螺旋桨。工程师们希望通过智能结构来节省资金和生命,这些智能结构可以在负载超过其承受能力时警告操作员。
这些项目看起来似乎彼此之间没有什么共同之处。但是,新的技术领域总是通过对其使命的混乱和困惑而出现的。智能材料研究人员至少可以为他们领域的快速变化感到鼓舞;他们的工作可能只需要几年而不是几十年,就会开始产生有用的产品。