大千世界包羅萬(wàn)象又千差萬(wàn)別，萬(wàn)變不離其宗的唯有材料，而人們的衣食住行用與材料密不可分。人類(lèi)有史以來(lái)就沒(méi)有停止過(guò)對(duì)材料的改良，通過(guò)篩選、嫁接甚至不惜采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來(lái)改善農(nóng)副產(chǎn)品；而非食用材料的進(jìn)步則經(jīng)歷了天然材料、燒結(jié)材料、合成材料、復(fù)合材料等階段，將要迎來(lái)的是智能材料時(shí)代。

　　“基于提升產(chǎn)品性能水平的開(kāi)發(fā)將是21世紀(jì)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵所在，而智能材料將在開(kāi)發(fā)中扮演至關(guān)重要的角色�！边@是2003年材料展望研討會(huì)會(huì)后報(bào)告得出的結(jié)論，該研討會(huì)是由英國(guó)政府資助的，召集專(zhuān)家來(lái)共同研討未來(lái)技術(shù)的發(fā)展。

彗星1號(hào)帶來(lái)的噩夢(mèng)

　　民用噴氣式客機(jī)時(shí)代始自1952年5月，英國(guó)德·哈維蘭公司研制的彗星1號(hào)噴氣式飛機(jī)正式投入到倫敦到約翰內(nèi)斯堡的民航運(yùn)營(yíng)。由于使用了密封增壓艙，飛機(jī)可以在萬(wàn)米高空飛行，從而給旅客帶來(lái)高速、平穩(wěn)舒適的空中旅行體驗(yàn)。

　　然而，在1954年1月和4月，2架彗星1號(hào)在執(zhí)行航班任務(wù)的途中在海洋上空相繼發(fā)生了空中解體的慘劇，在給生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失的同時(shí)，也給剛剛起步的噴氣式民航運(yùn)營(yíng)蒙上了一層重重的陰影。

在其后的事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于頻繁起降帶來(lái)的增壓和減壓過(guò)程，導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)身金屬材料產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，最終導(dǎo)致飛機(jī)解體。盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞的現(xiàn)象——鐵絲經(jīng)過(guò)反復(fù)彎曲后就會(huì)被折斷，但人們對(duì)金屬疲勞的深刻認(rèn)識(shí)卻是始于彗星1號(hào)。

　　盡管通過(guò)采用新材料、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方式可以顯著地降低金屬的疲勞，比如說(shuō)人們現(xiàn)在司空見(jiàn)慣的飛機(jī)圓角矩形舷窗，就是為了避免應(yīng)力過(guò)于集中在矩形四角從而導(dǎo)致金屬疲勞而設(shè)計(jì)的。然而，金屬疲勞的噩夢(mèng)依舊揮之不去。2002年5月25日，臺(tái)灣華航波音747客機(jī)在飛往香港途中墜毀于澎湖外海，事故調(diào)查表明，金屬疲勞再次成為此次空難的罪魁禍?zhǔn)住?/P>

　　金屬疲勞現(xiàn)象并非航空獨(dú)有。1998年6月3日11時(shí)許，時(shí)速200公里的列車(chē)在駛向漢堡的途中在艾雪德鎮(zhèn)附近發(fā)生嚴(yán)重的出軌事故，最終造成101人死亡、88人受傷，成為德國(guó)歷史上最慘重的鐵路事故。調(diào)查認(rèn)定，事故是由第2節(jié)車(chē)廂一個(gè)車(chē)輪因金屬疲勞突然爆裂引起的。

　　類(lèi)似的例子還能在橋梁、船舶、汽車(chē)甚至自行車(chē)上找到。選用耐金屬疲勞的金屬或者合金材料固然是行之有效的途徑，但是只要是金屬就不可能避免疲勞，區(qū)別只是程度不同。因此，對(duì)金屬部件的監(jiān)測(cè)就成為防范金屬疲勞非常有效的手段。

　　但是傳統(tǒng)的外置式監(jiān)測(cè)方式很難滿足動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，畢竟人們不能在飛機(jī)機(jī)身內(nèi)外布置大量的傳感器并放置各種各樣的儀器與設(shè)備，因?yàn)轱w機(jī)的氣動(dòng)外形和載荷能力都不容許這樣做。因此，人們寄希望于智能材料，希望其能有效預(yù)防金屬疲勞所帶來(lái)的危害。

智能材料：物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用

　　與物聯(lián)網(wǎng)各式各樣的定義相類(lèi)似的是，智能材料迄今也沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。

　　按照互動(dòng)百科“智能材料”詞條給出的定義，智能材料是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定措施進(jìn)行適度響應(yīng)的、具有智能特征的材料。

　　這種刺激或者說(shuō)激勵(lì)所代表的物理量通常為聲、光、電、磁、熱、機(jī)械力（包括壓力、張力等）、PH值、高能射線等。但特定的智能材料并非能夠感知所有這些物理量，而是根據(jù)特定用途，賦予智能材料特定的傳感能力，去感知所需探測(cè)的物理量。

　　同樣，并非每種智能材料都必須完全具備智能材料的七個(gè)特點(diǎn)：感知、反饋、響應(yīng)、識(shí)別、自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能或能力。但感知和響應(yīng)功能則是所有智能材料所必須的。如果缺少了對(duì)作用其上的物理量的感知，那就談不上智能了。

　　雖說(shuō)智能材料離不開(kāi)智能，但智能也是分層次的。比如說(shuō)，用于太陽(yáng)鏡的變色玻璃，在遇到日光光譜中的紫外線照射后顏色變深，再如記憶合金，是在特定的溫度環(huán)境中恢復(fù)原有的形狀，或者說(shuō)記憶合金感知到溫度的激勵(lì)后，按照預(yù)設(shè)的方案進(jìn)行響應(yīng)。因?yàn)槿鄙倭擞?jì)算，變色玻璃和記憶合金的“智商”顯得比較低。

　　要實(shí)現(xiàn)智能材料更多的功能，計(jì)算是不可或缺的，而計(jì)算的前提就是借助于傳感器將自然界中的非電量轉(zhuǎn)化為電量，而其大前提就是要將傳感器嵌入到材料中。

　然而，將傳感器嵌入到材料中談何容易。因?yàn)楹茈y將電源嵌入到材料中，無(wú)源傳感器因此在很大程度上成為不二選擇；又因?yàn)槭茱w機(jī)蒙皮等緊湊型應(yīng)用物理尺寸的局限，多功能傳感器倍受青睞。在上述一種或多種約束條件下，光纖、壓電陶瓷、薄膜、半導(dǎo)體等傳感器便成為為數(shù)不多的可供選擇的傳感器，而其中光纖傳感器因其無(wú)源、多物理量測(cè)量等特點(diǎn)而成為應(yīng)用的熱門(mén)。

　　即便是光纖傳感器，在嵌入到應(yīng)力敏感材料時(shí)，依然會(huì)有很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楣饫w的膨脹系數(shù)與多數(shù)金屬的膨脹系數(shù)相差較大，為了避免因膨脹系數(shù)差異引入的應(yīng)力，必須在光纖和金屬之間增加膨脹系數(shù)介乎兩者之間的過(guò)渡層。

　　總之，人們可以把嵌有傳感器的智能材料視為物聯(lián)網(wǎng)的特殊應(yīng)用，只不過(guò)在很大程度上，這種應(yīng)用需要獨(dú)門(mén)絕技，并非一些自詡為物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的企業(yè)敢應(yīng)承下來(lái)。

方興未艾的智能材料

　　今年3月下旬，波音公司宣布，787客機(jī)已通過(guò)機(jī)翼加載試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷達(dá)到運(yùn)營(yíng)最大載荷的1.5倍，機(jī)翼上翹高度達(dá)到7.6米，從而首架飛機(jī)有望在今年年底交付全日本航空公司。在波音787延誤交付的兩年多時(shí)間里，僅解決翼身結(jié)合處結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題就占到了6個(gè)月。

　　這種靜力實(shí)驗(yàn)需要大量的模擬負(fù)載和復(fù)雜的測(cè)試設(shè)備，又由于其屬于破壞性極限試驗(yàn)，因此，只能用在地面樣機(jī)上。但這并不意味著在飛行中不需要對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

　　事實(shí)恰恰相反。1973年6月3日，蘇聯(lián)時(shí)速達(dá)2倍馬赫的圖-144超音速客機(jī)在巴黎航展上進(jìn)行飛行表演時(shí)，因緊急避讓突然出現(xiàn)在正前方、負(fù)責(zé)航拍的法國(guó)幻影飛機(jī)而導(dǎo)致失速，在平飛改出時(shí)機(jī)身嚴(yán)重過(guò)載而超出設(shè)計(jì)極限，造成左翼折斷，飛機(jī)最終在空中解體。

　　伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，如今SHM已成為智能材料與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中重要而特殊的應(yīng)用。說(shuō)其重要，是因?yàn)橹T如波音、空客等飛機(jī)、舊金山金門(mén)橋等橋梁上的典型應(yīng)用涉及的都是人命關(guān)天的事兒。說(shuō)其特殊，是因?yàn)樵赟MH中僅有傳感器被放置在被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者表面，而信息處理以及其后按照預(yù)定方案的響應(yīng)都在被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)之外，因此，SHM更像是物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用。

　　肩負(fù)著引領(lǐng)英國(guó)成為全球創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)者的英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)，確定了6項(xiàng)關(guān)鍵的核心技術(shù)：高附加值制造，先進(jìn)材料，納米技術(shù)，生物科學(xué)，電子學(xué)、光子學(xué)與電氣系統(tǒng)，信息和通信技術(shù)。其中大部分與智能材料或者物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)。