近年來，隨著信息、材料及工程科技的發展，科學家和工程師從自然界和生物進化的學習和思考中受到啟發。人們對比生物和智能系統（表1）可知它們的組成單元、功能結構的情況。

表1 生物體與智能系統的組成單元與功能構成功能

正如生物體是通過各種生物材料構成一樣，智能系統是通過材料間的有機復合或集成來構成。科學實踐證明，在非生物材料中注入“智能”特性是可以做到的。通過各種具有傳感性能的材料可使各類信息（如力、聲、熱、光、電、磁、化學信息）互相轉換和傳遞。

部分智能材料兼具感知和執行功能，如磁致伸縮材料、壓電材料、形狀記憶材料等，這種材料通稱為機敏材料（smart materials），它們能對環境變化做出適應性反應。但材料自身不具備信息處理和反饋機制，不具備順應環境適應性。一般認為，機敏材料是智能材料（intelligent materials）的“低級層次”，是智能材料發展的“初級階段”。機敏材料再加上控制功能才能稱為智能材料。

智能材料的組元材料可以劃分為傳感材料、信息材料、執行材料、自適應材料（仿生材料），以及兩種支撐材料——能源材料（用作維持系統工作所需的動力）和結構材料（是支持功能材料的基本材料或構件）。幾種常見的基本組元分別為形狀記憶材料、光導纖維、磁致伸縮材料、電流變液、磁流變液、壓電材料以及智能高分子材料。

一般情況下，需要將力輸入執行材料后，執行材料才能啟動。當下，執行材料已經不僅限于能在不同信息激勵下輸出力或位移，其輸出功能已經拓展到數碼顯示儲存、顏色改變、頻率改變、開關啟閉等等。這類材料在電子技術中已獲得廣泛應用。

1.形狀記憶材料

形狀記憶材料包括形狀記憶合金、記憶陶瓷以及形狀記憶聚合物（含形狀記憶纖維、形狀記憶聚合物凝膠）。它們在特定溫度下發生熱彈性（或應力誘發）馬氏體相變或玻璃化轉變，能記憶特定的形狀，而且彈性模量、電阻、內耗等發生顯著變化。如NiTi形狀記憶纖維就可應用于多種場景。

智能窗簾：如選用鎳鈦纖維編織窗簾面料，當溫度達到50℃時，面料自動做出反應，閉攏遮陽。

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時尚設計：如在服裝設計中集成鎳鈦纖維，實現創新美學效果以及舒適體驗。當外界氣溫偏高時，裙子一邊的下擺會幾秒內自動卷起，花朵會自動合攏。

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安全防護：如通過結構設計，在防護服中加入氣窩模塊，低溫時，氣窩面積不會改變；溫度升高，氣窩面積隨之擴大。此類防護服可用于保護消防員，降低在火場被燒傷的風險。

吸濕透氣：日本三菱集團（Mitsubishi）開發出了一種具有形狀記憶功能的聚氨酯類新材料Diaplex^?，這種膜與外衣面料層壓復合，具有高拒水性以及隨溫度改變出現的分子微布朗運動，吸濕透氣。?

2.光導纖維

光導纖維是利用兩種介質面上光的全反射原理制成的光導元件。通過分析光的傳輸特性（光強、位相等），可獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強，密度、磁場、成分和X射線等參數的變化，因而廣泛用作傳感元件或智能材料中的“神經元”，具有反應靈敏、抗干擾能力強和耗能低等特點。

光纖傳感系統已廣泛開發用于生物醫學診斷、食品技術、軍事和工業應用以及土木工程等多個領域。如將智能光纖傳感器集成到土工織物中，以監控高速公路橋梁并將數據發送給養護機構，從而及時地檢測民用基礎設施的惡化和過早失效。

圖片來源：馬薩諸塞州大學洛威爾分校

3.壓電材料

壓電材料包括壓電陶瓷（BaTiO₃、Pb（ZrTi）O₃、K（Na）NbO₃、PbNb₂O₃等）和壓電高分子等。壓電材料通過電偶極子在電場中的自流排列而改變材料的尺寸，響應外加電壓而產生應力或應變，電和力學性能之間呈線性關系，具有響應速度快、頻率高和應變小等特點。此種材料受到壓力刺激可以產生電信號，可用作傳感器。壓電材料可以是晶體和陶瓷，但它們都比較脆。

高分子壓電材料的機械強度和對應力變化的敏感性優于許多其他傳感器，非常適合用作智能結構和設備中的傳感器和執行器。可用于檢測人乳頭瘤、牛痘、登革熱、埃博拉、甲型流感、人類免疫缺陷和乙型肝炎病毒。

（a）壓電生物傳感器的工作原理；（b）檢測期間的電壓與時間關系；（c）檢測期間的振幅與頻率的關系。

使用壓電材料進行病毒檢測的基本概念

未完待續

以上文章來源于紡織導報?，作者王佳月