你会不会想：如果桥梁、建筑物，甚至在空中飞行的飞机，在其材料断裂发生事故之前若能发出预警，甚至能自行修补缺陷，那将会给人以极大的安全感。这一设想能否实现呢？为了达到这个目的，科学家们提出了智能材料的构想，尽管现在仍处于萌芽阶段，但人们已经看到了它的巨大潜力。

什么是智能材料？

又称“敏感材料”，由日本高木俊宜于1989年首次提出，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。

智能材料就是能感知外部环境刺激并据此改变自身性能的功能材料，并且其弱化了功能材料与结构材料的边界。智能材料要求材料体集感知、驱动和信息处理于一体，类似生物那样具有智能属性，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能，能感知周围环境变化，并针对这一变化采取相应对策。

另外，也有智能材料系统（intelligence material systems, IMS）这一说法。比如Rogers认为IMS的定义可以归结为两种。第一种定义是基于技术观点：“在材料和结构中集成有执行器、传感器和控制器”。另一种定义是基于科学理念观点：“在材料系统微结构中集成智能与生命特征，达到减小质量、降低能耗并产生自适应功能的目的”。

智能材料的分类

按照智能材料自感知、自判断、自执行能力进行分类，可分为自感知（传感器）智能材料、自执行（驱动器）智能材料、自判断（信息处理器）智能材料3种类型。

1、自感知（传感器）智能材料能感知外界条件和刺激并有传感作用，但仅能感知无自动调节功能，如压电材料、光导纤维、电流变体、磁流变体等。

2、自执行（驱动器）智能材料具有传感器与执行器的作用，不仅能感知外界环境的刺激，还能对刺激做出响应，并与特定的环境相协调，如形状记忆材料、光热致变色材料、相变材料等。

3、自判断（信息处理器）智能材料又称适应型智能材料，是目前最先进的智能材料体系，除对外界环境刺激能感知和响应外，还能自动调节以适应外界环境的变化和刺激，最终实现自我调节、自我修复功能，如形状记忆智能材料等。

常见的智能材料

1. 形状记忆合金：形状记忆合金（SMA）是具有形状记忆效应、集感知和驱动功能于一体的金属材料。

2. 形状记忆聚合物：形状记忆聚合物（SMP）一般分为固定相（弹性域）和可逆相（转变域）。固定相是决定着聚合物宏观形状的网络，可逆相是决定分子开关的分子链。

3. 电流变液：在无外加电场的情况下，电流变液类似于通常的液体，而当外加电场强度不断增大，其黏度也会随之增大。

4. 电流变弹性体：跟电流变液原理相近，只不过把绝缘油（一般是硅油等）换成了固体的基质硅橡胶（PDMS），解决了ERF的漏液和不稳定等问题。加电场后是一个剪切模量的变化，等于电场控制了这个材料的软硬程度（但注意不是指硬度）。

5. 磁流变液与磁流变弹性体：跟电流变智能材料效果差不多，区别在于分散相颗粒不同，而且加的是磁场。

6. 自我修复高分子：以哈工大Jiaqi Zhu, Peng Wang等人做的一个自我修复高分子材料为例。他们以氨基改性PDMS和1,4-二甲酰基苯（DFB）为原料，采用简单的方法制备了一种基于亚胺键的透明可固化PDMS（HPDMS）弹性体。DFB可以充当交联剂并提供自愈点。PDMS侧链上的活性胺基容易与DFB的醛基反应形成可逆的亚胺键。基于Schiff base linkage的可逆亚胺键是影响骨折自愈能力的一个关键结构因素，它能促进骨折表面的接触，在室温下无需任何外界刺激即可实现快速、可重复的自愈。

7. 压电材料：压电材料是一种受到压力之后两个端面之间会产生电压的材料，这是与原子（分子、离子）尺度的排列有关的，受到外力作用发生形变时，材料晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体会发生宏观极化，也就是压电。

8. 电致伸缩材料：很多材料有这种效应，不过大部分效应很小，而且大部分是“缩”，“伸”的很少。电介质置于电场中时，它的分子发生极化，沿着电场方向，一个分子的正极与另一个分子的负极衔接。由于正负极相互吸引，使整个电介质在这个方向上发生收缩，直到其内部的弹性力与电引力平衡为止。

9. 光响应高分子：光响应液晶高分子材料通常是用偶氮苯填料制成的。有两种效应：纳米尺度上的协同运动，其中小部分分子改变其取向，促使其他分子也这样做，有效地放大了信号由压力梯度和干扰光产生的不均匀异构化模式驱动的微尺度宏观运动。

智能材料的应用与发展

1、智能材料与3D打印

4D打印技术是指由3D技术打印出来的结构能够在外界激励下发生形状或者结构的改变，直接将材料与结构的变形设计内置到物料当中，简化了从设计理念到实物的造物过程，让物体能自动组装构型，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。将4D打印技术应用于软体机器人的设计与制造中，可以突破现有软体机器人驱动材料和支撑材料难以结合设计的技术瓶颈，使其结构功能化、功能多样化。

2013年2月26日，在美国加利福尼亚州长滩市举行的TED2013大会上，来自麻省理工学院的Skylar Tibbits将两种具有不同孔隙率和吸水性的材料组合用于 3D 打印机，制造出了一种线状物体。将该物体放入水中，物体改变了自身形状，组成了麻省理工学院的字母缩写 “MIT”，就此提出了 4D 打印的概念。

4D打印结构的形状、属性或功能在外部环境刺激（如水、光、热、电流、磁场、酸碱环境等）下会随着时间的推移而改变，如图6所示。与3D打印结构相比，4D打印结构因为智能材料的使用而具有了自组装、自适应、自我修复的特性。Wang等将遗传易处理的微生物沉积物在湿度惰性材料上形成非均匀多层结构，制成生物杂化膜，该杂化膜可以在几秒钟内根据环境湿度梯度可逆地改变形状。用其制成跑步服的皮瓣，皮瓣可以根据湿度梯度动态调节通风散热。

4D打印最关键是将智能材料的响应特性与打印工艺有机结合，受自然界中卷须、叶子、花苞等通过内部膨胀来响应环境刺激的启发；哈佛大学Sydney等基于采用纤维素与水凝胶的复合油墨打印了智能结构，在打印时，通过控制复合油墨中纤维素的排列，以对水凝胶网络编码溶胀行为。因此，当成型后的智能结构浸入水中后，部分结构受硬质纤维的约束而无法溶胀，整体结构发生局部溶胀，从而形成预设的零件模型。美国麻省理工大学Kim 等基于直写式打印技术，采用磁性材料与硅胶的复合油墨打印了可实现快速变形的磁流变弹性体。在前驱液处于液态下混入磁粉（钕铁硼），打印时在喷头周围施加定向磁场，以在材料固化前编码磁畴方向。制备完成后的磁流变弹性体可以在外界磁场激励下发生预设的变形，

2、智能材料正在改变制造和机器人领域

（1）、智能可调机电性能的创新智能材料

具有可调机电性能的创新智能材料正在彻底改变制造、可穿戴设备和机器人领域。然而，迄今为止，尚未实现一种能够智能地自我调整其电气和机械性能以响应环境变化的材料，并在没有外部控制的情况下协同利用改变的性能。

为了填补这一空白，由伯明翰大学的Shiyang Tang博士领导的合作研究团队与中国科学技术大学，剑桥大学和卧龙岗大学的合作者一起，开发了一种名为Field的金属混合填料弹性体（FMHE）的智能材料。FMHE包括Field金属（一种无毒的低熔点合金）和嵌入弹性体基体中的加标镍微粒的混合材料。

这项研究在他们最近发表在《科学进展》上的论文中得到了报道。

研究人员创建的FMHE可以响应机械应变和电流，在没有外部控制的情况下表现出可变且可调的导电性和刚度。场金属的熔化和凝固使刚度发生变化。FMHE还表现出非常规的负压阻率和高应变灵敏度，在压缩和拉伸时电阻率降低数百万倍。

这项研究为制造、机器人和电子领域提供了重要价值，可能导致具有增强性能和功能的机电系统的发展。

（2）、软体机器人与制造技术

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料；一般有介电弹性体（DE）、离子聚合物金属复合材料（IPMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆聚合物（SMP）、响应水凝胶等，从响应的物理量暂时分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人，大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，如蚯蚓、章鱼、水母等。科学家曾预言，新型智能材料的研制及其在在软体机器人的大规模应用将导致科学发展的重大革命。

软体机器人制造技术包括形状沉积制造、硅胶浇注、3D 打印和混合加工等工艺。形状沉积制造是一种多层沉积工艺，通过重复沉积-去除的步骤，制得所需的软体机器人本体结构。此外，还可在沉积过程中嵌入传感器、驱动源和电路等功能部件，实现本体-传感-驱动一体化制造。然而，形状沉积制造一般只能采用手工操作且步骤繁琐，限制了软体机器人的制造质量和效率。硅胶浇注是通过拆分模型并设计模具，利用石蜡或凡士林涂层以防止粘连，将弹性体混合溶液（例如硅橡胶和固化剂）倒入模具固化成型，最后将各部分构件粘结成具有特定结构的软体机器人本体。然而，硅胶浇注方式粘结面易破裂且难以适用于多材料制造等缺点限制了软体机器人的服役生命周期、操作安全性及多功能性。

2016年，美国哈佛大学以超弹性硅胶材料作为本体材料，结合最新3D 打印技术，打印出了第一个纯软体仿章鱼机器人，引起了国内外学者的广泛关注，如图3所示。3D打印制造技术避免了人工误差、简化了制造步骤，实现了软体机器人低成本的个性化制造。随着智能材料打印工艺与计算机仿真编程技术的不断发展，基于智能材料响应特性的4D打印制造软体机器人成为可能。然而由于材料4D打印工艺复杂，且打印后的材料响应特性无法重新进行编程，亟待基于材料流变特性将4D打印与软体机器人技术相整合，提出结构功能一体化设计新方法。

3、智能材料的未来趋势

一是智能程度更高。目前，智能材料主要集中于压电材料、形状记忆合金、智能流体材料等领域。随着智能材料研发和产业化的不断深入，将研发出更多类型的智能材料，也将推动现有智能化程度不高的材料不断得到改进、提升、升级，由此形成功能更齐全、智能化程度更高、种类更丰富的智能材料。

二是应用领域更广。目前，智能材料主要应用于航天航空、机器人、工业生产等领域，而未来将在智健康医疗、4D打印、建筑结构等领域应用更加广泛，遍及生产生活各个方面。以智能建筑为例，使用智能材料能够感知建筑外力、震动、温度、裂纹等变化，并提前预报、自适应调整、自修复补救等，减少和规避危险发生。

三是交叉融合更强。目前，部分智能材料的应用仅从单个材料的智能特性进行开发，使得智能材料的应用范围受到限制。未来智能材料与其他学科交叉融合将会更强，将涉及材料、机械、力学、信号识别、自动控制、电磁学、计算机技术等多个领域，由此开发出集成度更高、功能更齐全、使用更便捷的智能系统部件，使得智能材料应用范围不断拓展。

文章来源： 浴火的普罗提亚，材料科学茶话会，熙翰认知，材料委天津院