“材料是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，未來新一代材料的發(fā)展方向?qū)⑦~向‘智慧材料’，它是在智能材料能感知、變形、修復(fù)的基礎(chǔ)上結(jié)合AI和類生命特性，不僅能響應(yīng)環(huán)境刺激，更能像生命體一樣，具備自生長、自適應(yīng)、自我復(fù)制的潛能?！?近日，中國科學(xué)院院士冷勁松在科技創(chuàng)新院士報(bào)告廳第16期的演講中表示。

活動由深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院、中關(guān)村產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級研究院、深圳企聯(lián)等機(jī)構(gòu)共同主辦。

以下內(nèi)容根據(jù)冷勁松院士演講記錄整理，經(jīng)演講人審訂。

中國科學(xué)院院士冷勁松發(fā)表演講。

材料是物質(zhì)的基礎(chǔ)，也是日常生活中不可或缺的部分。從早期的石頭，到后面的銅、鐵等，可以說，材料是人類進(jìn)步的物質(zhì)先導(dǎo)，一代材料決定了一代裝備、一代結(jié)構(gòu)。無論是我們穿的衣服、使用的手機(jī)還是各類機(jī)械設(shè)備，都離不開材料作為基礎(chǔ)支撐。材料種類很多，例如金屬材料，無機(jī)材料；高分子材料，還有復(fù)合材料，復(fù)合的材料是兩種以上的材料復(fù)合到一起就叫復(fù)合材料。

“具有生命的”材料——智能材料

1989年，日本科學(xué)家高木俊宜首次提出了智能材料的概念，認(rèn)為智能材料是能夠感知環(huán)境變化，并通過自我判斷和結(jié)論而實(shí)現(xiàn)指令和執(zhí)行功能的新材料?！吨悄懿牧舷到y(tǒng)和結(jié)構(gòu)》中也指出：智能材料是一種能夠感知外界環(huán)境的變化并且能夠主動響應(yīng)的材料。一個(gè)理想的智能材料系統(tǒng)，通常包括相當(dāng)于“神經(jīng)”的傳感器用于感知，相當(dāng)于“大腦”的信息處理器用于判斷，以及相當(dāng)于“肌肉”的驅(qū)動器用于執(zhí)行動作。下面介紹幾種典型的智能材料及其應(yīng)用：

（一）智能陶瓷材料

壓電材料的特點(diǎn)是壓電材料在力的作用下材料表面會產(chǎn)生電場強(qiáng)度變化，反之，在電場作用下材料會產(chǎn)生力。施加電場可使其產(chǎn)生形變或位移，從而作為驅(qū)動器；反之，對其進(jìn)行擠壓或形變，又能輸出電信號，實(shí)現(xiàn)傳感器功能。實(shí)際上壓電材料用作傳感器的例子非常多，日常生活中很多都用壓電纖維、壓電材料做傳感器。

（二）智能金屬材料

形狀記憶合金，在加熱后能恢復(fù)其變形前的原始形狀，可應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。最典型的例子就是做心血管支架。當(dāng)心?；蚴悄X?；颊咚偷结t(yī)院急救的時(shí)候，醫(yī)生用導(dǎo)管把由形狀記憶合金制成的細(xì)絲導(dǎo)入阻塞血管，通過加熱展開，把狹窄或者堵塞的血管撐開，恢復(fù)血液流通。

還有一種是磁致伸縮材料，可以在外界磁場作用下可以改變形狀或尺寸，包括磁致伸縮合金、鐵氧體材料、稀土材料等。

（三）智能高分子材料

智能流變體（如電流變液、磁流變液）能夠在外界刺激作用下改變自身物理特性。瞬間從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞虘B(tài)，撤去場后又可迅速恢復(fù)液態(tài)，被廣泛應(yīng)用于減震器的應(yīng)用中。

電致活性聚合物——介電彈性體，介電彈性體是電致活性聚合物中的一種，在外界電場的激勵(lì)下，產(chǎn)生尺寸或者形狀的變化。

形狀記憶聚合物材料是一種典型的智能材料，既能發(fā)生形狀變化，又能調(diào)節(jié)自身軟硬度。這種“軟硬可變”且能記憶原始形狀的特性，在眾多領(lǐng)域都展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。

智能材料的研究進(jìn)展與應(yīng)用

在航天領(lǐng)域，傳統(tǒng)剛性太陽能電池發(fā)電成本較高，而且難以進(jìn)行柔性卷曲和展開，而基于智能材料的柔性太陽能電池具有變形大、柔性高、質(zhì)量輕等特性。今年9月份，我們團(tuán)隊(duì)自主研制的“智新一號”衛(wèi)星成功發(fā)射，配套研發(fā)的卷曲太陽翼、折疊太陽翼等核心產(chǎn)品同步入軌應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智能復(fù)合材料卷繞式柔性太陽翼在國際上的首次在軌商業(yè)應(yīng)用。

4D打印技術(shù)，3D打印概念大家都知道，它是基于數(shù)字模型的增材制造工藝，能夠直接制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)。4D打印是將“時(shí)間維度”引入3D打印的結(jié)構(gòu)中，打印完成后的物體能夠隨著時(shí)間的推移，在外界條件觸發(fā)下自主發(fā)生變化。

4D打印技術(shù)-生物醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用——4D打印血管支架，傳統(tǒng)血管支架都是金屬，但金屬支架無法降解，存在再次形成血栓的風(fēng)險(xiǎn)。與市面常見的靜態(tài)3D打印材料不同，我們自主研發(fā)的4D打印線材具備可控變形能力，并已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，正在進(jìn)行市場推廣?；谶@種4D打印線材制造的血管支架，在植入后可通過磁場展開，為血管提供精準(zhǔn)支撐。該支架可逐步降解，避免長期留存體內(nèi)。此外，4D打印骨組織支架、心臟封堵器、氣管支架等均可個(gè)性化定制，能精準(zhǔn)匹配患病部位的形態(tài)與尺寸，植入后，通過外加激勵(lì)使支架主動變形并展開，待愈合后，支架將逐漸降解被人體吸收，避免了長期留存帶來的隱患。除了上述可植入支架外，我們還研發(fā)了體外矯形器具，脊柱側(cè)彎矯形器、肘外翻矯形裝置等，均具有良好的治療效果。

在智能制造領(lǐng)域，模具是不可或缺的基礎(chǔ)工藝裝備。從華為手機(jī)外殼到新能源汽車的碳纖維氣瓶，都離不開模具的成型作用。以氣瓶結(jié)構(gòu)為例，傳統(tǒng)制造過程是使用石膏、可熔沙或分片金屬作為芯模，成型后通過破碎、熔化或拆卸等方式取出，過程繁瑣且模具無法重復(fù)使用。而智能可變形模具，基于形狀記憶聚合物材料可變剛度、快速脫模、可重復(fù)使用，特別適合飛機(jī)進(jìn)氣道等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造。我們研發(fā)的這種智能模具已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

在石油領(lǐng)域，面臨這樣的難題：如果幾百米深的井下管道發(fā)生了滲漏該怎么修復(fù)？可利用智能復(fù)合材料補(bǔ)貼管來修復(fù)地下破損輸油管道，在管道植入時(shí)保持較小的直徑，順利抵達(dá)泄漏位置后，通過井下加熱主動展開，緊密貼合在原有管道內(nèi)壁上。在展開后會迅速變硬，形成堅(jiān)固的支撐結(jié)構(gòu)，足以承受地下油壓的長期考驗(yàn)。

在航空領(lǐng)域，在飛行器的設(shè)計(jì)上，可變形能力正成為新一代飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。鳥類在高速飛行時(shí)會把翅膀收回來以減少阻力，這個(gè)原理同樣適用于飛行器，洛克希德馬丁公司早在20年前就提出翼變體飛行器概念：可變形飛行器既提升了機(jī)動性，又優(yōu)化了氣動效率?；趥鹘y(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)的剛性變體飛行器具有質(zhì)量大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、維修費(fèi)用高等問題，限制了其發(fā)展。如今，我們正通過智能材料實(shí)現(xiàn)更輕盈、可靠的變形方式。事實(shí)上，變形技術(shù)已在現(xiàn)有航空領(lǐng)域初步應(yīng)用。例如客機(jī)的翼尖小翼，向上彎折可降低阻力、節(jié)省燃油，展開則能增加升力。

在柔性機(jī)器人領(lǐng)域，智能柔性機(jī)器人和傳統(tǒng)剛性機(jī)器人相比，優(yōu)勢在于成本較低。傳統(tǒng)機(jī)械手往往需要較多的電機(jī)，成本較高。而柔性機(jī)器人是氣動肌肉智能材料的，通過材料自身的形變和氣壓控制就能實(shí)現(xiàn)抓取、彎曲等復(fù)雜動作，在維持功能的同時(shí)顯著降低了制造成本?；谥悄懿牧先嵝詸C(jī)器人可實(shí)現(xiàn)爬行、滾動、蠕動等多模態(tài)運(yùn)動。軟體機(jī)器人憑借其柔順的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)輕柔而可靠的抓取。例如像西紅柿、猴頭菇這類易損農(nóng)產(chǎn)品的摘取。另外，也有通過靜電吸附力抓取的軟體機(jī)器人，通過通電產(chǎn)生靜電吸附力，斷電則自動釋放。這種機(jī)器人適用于搬運(yùn)手機(jī)芯片等精密元件，幾乎不產(chǎn)生形變，更加安全可靠。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，基于光纖光柵傳感器、光纖聲發(fā)射傳感器、壓電傳感器等新型智能傳感器，面向大型船舶、風(fēng)電葉片、碳纖維地鐵車廂、壓力容器等結(jié)構(gòu)進(jìn)行服役狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，評價(jià)其長期在復(fù)雜載荷作用下的安全狀況，對危險(xiǎn)狀態(tài)提前預(yù)警。例如風(fēng)力葉片等設(shè)備常年都在山上運(yùn)行，面臨損壞、結(jié)冰等風(fēng)險(xiǎn)，通過植入傳感器就可以對葉片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

在智能家居領(lǐng)域，例如可變形手機(jī)支架，在熱水或吹風(fēng)機(jī)加熱下，會自動展開形成支架，牢固支撐手機(jī)?？梢约捎谑謾C(jī)背面，需要時(shí)隨時(shí)激活，比傳統(tǒng)機(jī)械支架更簡潔方便?？芍貜?fù)使用的盲文紙，傳統(tǒng)盲文紙打點(diǎn)后無法重復(fù)利用。而用智能材料做的盲文紙，在打點(diǎn)后只需簡單加熱即可恢復(fù)平整，可以再重復(fù)使用。

在智能玩具領(lǐng)域，智能可變形玩具為傳統(tǒng)玩具帶來了全新的互動體驗(yàn)，比如可變形橋梁，平時(shí)可以像輪子一樣在地上滾動，但只需簡單加熱，它就會自動變形，展開成一座精巧的橋梁。

在智能光學(xué)領(lǐng)域，目前手機(jī)鏡頭是通過光學(xué)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)聚焦，專業(yè)攝影相機(jī)是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)移動鏡頭來實(shí)現(xiàn)對焦的。雖然單反機(jī)械對焦精度高，但是伸縮結(jié)構(gòu)的鏡頭不適合手機(jī)這類輕薄設(shè)備。智能可調(diào)透鏡可以通過改變透鏡內(nèi)部材料的折射率來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)透鏡材料的折射率發(fā)生微小變化時(shí)，焦距便會相應(yīng)改變，從而完成對焦過程，實(shí)現(xiàn)手機(jī)等電子產(chǎn)品的智能主動控制變焦。

在災(zāi)害防護(hù)領(lǐng)域，針對洪水災(zāi)害，基于智能材料的防護(hù)板進(jìn)行收卷，鋪設(shè)在地面上，洪水來臨時(shí)展開并硬化，可有效阻擋水流。利用智能材料的形變特性，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)閘口的自主可控開合。

在應(yīng)急救援領(lǐng)域，以帳篷為例，普通傳統(tǒng)帳篷由于支撐桿太軟無法抵御強(qiáng)風(fēng)，基于智能材料的支撐梁，展開后能自動硬化具有承載能力，還可以耐寒耐風(fēng)。利用智能材料“軟硬可變”的特性，使帳篷既便于運(yùn)輸存儲，又能在使用時(shí)提供堅(jiān)固可靠的防護(hù)保障。

在智能防偽領(lǐng)域，基于熱響應(yīng)智能材料的創(chuàng)新防偽方案可適合藥品、酒類的防偽，例如智能瓶塞，正常情況下瓶口是封住的，只有通過打火機(jī)加熱瓶塞，才能倒出，這是物理防偽。另外，將來包裝上的二維碼，可以設(shè)計(jì)成“半隱藏”狀態(tài)，常溫下無法完整掃描；經(jīng)加熱后，隱藏部分顯現(xiàn)，才能成功讀取驗(yàn)證信息。

智能材料展現(xiàn)廣泛應(yīng)用前景

材料是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基石，智能材料以其獨(dú)特優(yōu)勢為電子、信息、海洋、汽車等多個(gè)領(lǐng)域注入新動能。當(dāng)前，人工智能技術(shù)備受矚目，與材料科學(xué)的深入融合正不斷拓展應(yīng)用邊界。例如，在復(fù)合材料領(lǐng)域，人工智能賦能高效設(shè)計(jì)，不僅優(yōu)化了傳統(tǒng)材料的性能與功能，更推動了新型復(fù)合材料與智能材料創(chuàng)新研發(fā)。在醫(yī)療診斷領(lǐng)域，人工智能可賦能超聲CT技術(shù)，通過對超聲CT圖像進(jìn)行智能算法處理，原本模糊的影像得以清晰反演與重構(gòu)，顯著提升了早期診斷的準(zhǔn)確性與可靠性。

“人工智能技術(shù)與新型智能復(fù)合材料的深度融合及其未來對智能社會的影響”被列入中國科協(xié)發(fā)布60個(gè)“硬骨頭”重大科學(xué)問題和重大工程技術(shù)難題之一。人工智能與材料結(jié)合，不僅能設(shè)計(jì)材料，亦能實(shí)現(xiàn)對材料的控制，從而為智能社會的構(gòu)建奠定堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)與引擎。

從智能到智慧：智能材料如何實(shí)現(xiàn)自主決策

未來新一代材料的發(fā)展方向?qū)⑦~向“智慧材料”，它是在智能材料能感知、變形、修復(fù)的基礎(chǔ)上結(jié)合AI和類生命特性，不僅能響應(yīng)環(huán)境刺激，更能像生命體一樣，具備自生長、自適應(yīng)、自我復(fù)制的潛能。從“智能”到“智慧”，標(biāo)志著材料從被動執(zhí)行轉(zhuǎn)向主動決策的能力躍遷，隨著AI與生物、材料等技術(shù)的交叉突破。

材料科學(xué)的發(fā)展，還需要多學(xué)科交叉融合與協(xié)同創(chuàng)新，將材料學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)械工程等領(lǐng)域前沿研究緊密結(jié)合，綜合交叉至關(guān)重要。面向未來，需攜手構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用深度融合的創(chuàng)新生態(tài)體系，共同培育支撐未來戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，開辟發(fā)展新領(lǐng)域、塑造競爭新格局。

（整理人：林美丹。本期活動還邀請到了深圳市電子學(xué)會、深圳市人工智能行業(yè)協(xié)會、深圳市新材料行業(yè)協(xié)會、深圳市大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會、深圳市微波通信技術(shù)應(yīng)用行業(yè)協(xié)會等機(jī)構(gòu)聯(lián)合舉辦，新聯(lián)會科技聯(lián)盟分會協(xié)辦）