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这两种概念在范例上表达了一致的观点,但也会从科学和工程两个方面进行举例对比。

对于未来先进结构系统功能的需要,如太空系统、航空和航海舰船,促进了结构和材料设计的新途径。

Wada,Fanson和Crawley由此尝试提出了一个总体框架来对各种将智能融入结构系统的方法进行分类,其主要兴趣在于精密太空结构的结构系统。

如图1,阐释了他们提出的大概框架,包含了一个结构控制途径的清晰层次。

下面对他们的定义和概念的解释选自他们的文章。

两种最基本的类别是:

感知结构,它们具有传感器,能够确定或监测系统的状态或性质;

适应结构,它们具有驱动器,能够以一种控制方式改变系统的状态或性质。

一个感知系统可能具有传感器用于健康监控,但不具有驱动器。

相反的,一个适应系统可以具有驱动器用于一个被控制的部署,但不具有传感器。

感知和适应结构的交叉点是控制结构,将传感器和驱动器置于同一反馈结构用来实时控制系统状态或性质。

把这些系统统称为结构可能有点随意(可能揭示了作者的倾向),因为从原则上讲,一个控制结构应该是由一个常规结构和一个独立的控制系统组成,比如一个质量检验驱动器附在一个支撑结构上。

也许这样定义的主要作用是将这些常规方法与下一个类别——活动结构区分开来。

活动结构是一种高度集成传感器和驱动器的控制结构,除控制功能外还有结构功能。

活动结构的混合本质是从简单方法出发,使其具有真正的集成化控制(或结构)系统。

从逻辑的极端上讲,智能结构包含高度的集成控制逻辑学和电子学,提供分布的或继承的控制体系的可识别元素。

结构可以从很多不同的意义上被控制。

例如,控制系统的目标可能会影响到结构的机械性能。

这包括机械状态(位置、速度等)。

一个结构对驱动器使用速率反馈从而增加阻尼,这是一个机械控制的结构。

热控制结构应该包括一个用来影响它的热状态(温度)和热性质(导热性、吸热性等)的控制系统。

一个具有分布式加热器和热电偶的结构就是一个例子。

甚至可以想象一种结构,其表面光学性能(色调和光强)可控,或者其表面电磁性能可控。

智能材料在日本的概念

日本科学技术机构的HarumitsuYoshimura博士于1989年3月在Tsukuba科学城举行的第一届国际智能材料研讨会上就日本感兴趣的智能材料做了简单的介绍。

他说,几年前该机构开始调查发展一种根据环境变化能够智能地体现其自身功能的“材料”的可行性。

智能材料的概念和定义开始被航空学、电子学和其它先进技术的相关机构和委员会广泛研究,那个研讨会的主席ToshinoriTakagi博士展示了这项研究的结果。

Takagi博士介绍了一篇题为“智能材料在日本的概念”的文章,这篇文章本质上是一篇详述讨论和结论的临时报告,是由材料技术委员会和下属委员会,航空学、电子学和其它先进技术的委员会,科学技术机构以及日本政府的成员共同准备的。

这篇临时报告是一篇非常有地位的文章,介绍了智能材料在日本应用和研究的促动因素和概念(稍微修改过的文章也在《智能材料系统和结构》杂志上发表了)。

这篇报告以这样开头:

“科学与技术,在即将到来的21世纪里,将很大程度依赖于新材料的发展……我们认为'

智能材料’是这样的新材料的主要候选者……”

促使智能材料的概念做最初的调查似乎源于一个对材料科学历史的评估以及对日本人对开始掌握的科学的前景的纯粹假设。

“材料科学的历史表明由结构材料向功能材料发展是一个十分明显的趋势。

”因此,研究和发展的方向应该是创造“在某些方面甚至超过生物材料的超功能材料”。

这种利用生物材料和系统的概念在智能材料领域并不陌生,但是,在美国,在复制和模仿生物材料上所关注的热点和实现的方式却大为不同。

事实上,日本研究者普遍认为“生物材料可以被看作终极的材料”。

日本科学界的主要关注在材料的发展上,美国更注重效用、功能和应用上。

这两种途径的主要区别在于,美国科学界希望从自然中寻找实现各种各样功能的构想,比如,手臂如何能高度职能和准确的完成定位和摆动的控制任务?

然而日本科学界从自然中寻找的是能够像生物材料一样实现适应功能的新合成材料的想法,比如,器官的肌肉结构能被合成吗?

这篇报告全面和深入的评价了材料科学在日本的未来,令人印象深刻。

对于智能材料概念的描述源于他们的定义:

·

智能材料可以定义为,自身功能可以随环境的变化而智能地变化的材料。

但是,他们关于“环境”的定义并不非常清楚。

这个概念通过将材料的“智能”分为三类来解释的,如图2。

基本功能——这个水平基本上组成了与传感器、效应器和处理器性能相关的本质上的适应功能(与“基本”的意义相同)。

宏观功能——这个水平包括材料中的内在智能。

社会功用——这个水平从人类的角度来考虑材料的智能,指的是材料的“性能”,可以分类为“友好的”、“理智的或不理智的”和“协调的”。

这三种分类有一个智能和大概效用的等级。

基本功能是通过“将软件系统合并到材料之中”来实现其宏观功能。

然而,“即使‘宏观功能’这一类成功的实现……但从人类的角度看这些功能可能也算不上智能”。

为了在材料中安装类似人类的智能,一个被称作“智能的表现”的步骤被采用以赋予以下功能:

人类友好

可靠性

和谐

最佳的生命(并非尽可能长)

资源-经济的节约

热情

分析判断

综合的认知/判断

理性/非逻辑性

这个概念给人印象最深刻的一点是,一个科学家委员会在政府机构授权下,在原先的科学技术上又协商定义了一种新技术。

正如这篇概念的论文中描写的那样,其目标在于材料科学在将来的思想,而远甚于短期内技术的进步。

很清楚的是,这个研讨会的一个目的是开始一个长期的教育计划来激发材料科学家们向“社会效用”努力。

“材料中最基本的智能由三个功能组成,它们是传感器功能、受动器或驱动器功能、包括记忆功能的处理器功能。

”这与在美国好几年以来被广泛接受的用来描述灵巧或智能材料的定义基本相同。

然而,即使有这个定义,这个概念也不是非常清晰(也许永远不会)。

为了阐明存在于这个技术的定义和实际努力实现这个概念两者之间的疑惑,可以考虑将“智能材料典型样例”认定为这个概念的一部分.一个被普遍接受的观点认为未来的智能材料应该满足,“如果材料能具有内在的智能,比如自诊断、自学习、预测/通知、随时行动的能力、刺激—反馈、认识/辨别的能力。

例子包括:

表面颜色或光泽随负载而变化的材料……

外表随内部损坏程度而变化的材料……

机械或电性能随环境而变化的材料……

机械或电性能随负载而变化的材料……

化学组分随环境和/或操作条件而变化的材料,因此能够自我分解或恢复降解的性能……

这些材料的例子似乎是用来描述传感器材料的,仅仅是基本功能之一,是(智能材料)概念的基础。

关于概念的文章甚至评估了具有自调节功能的生物材料的实用性和可行性。

这样的材料的例子如下:

具有自适应功能以激发人体内骨骼的生长的生物材料

具有自适应功能以替代人类皮肤、肝、肾、胰腺等的生物材料

药物传输系统

Takagi博士提出的概念被应邀的参与者普遍接受。

然而,委员会对于这个概念强调的重点,即单一材料可以包含所有的基本功能和抽象的社会实用功能,这一点目前并未被所有人认同,将会在接下来的讨论中阐明。

同样重要的一点是,日本提出的概念并不同于任何结构概念,甚至“混合的”系统,而主要依靠本质上单一材料的材料科学来提供这些智能的功能。

以下部分将描述很多在研讨会中用到的定义和概念,以及许多前几年在美国讨论过的定义。

这样的讨论的重要性也许在于让不同组的研究者达成共识;

“功能必需引导智能材料的发展”。

虽然智能材料系统的目的是为了有效地适应地实现某个指定的功能,这个科学的领域最早的发展并不快,直到这个领域的功能(定义)被很好的叙述和理解。

这个定义可以或者说应该相应地调整以适应科学技术的发展。

名字里蕴含了什么?

在1988年9月,一个名为“ARO灵巧材料,结构和数学专题研讨会”的研讨会在维及尼亚工业州立大学举行。

少数国内知名的工程师,科学家和数学家受邀参加,以讨论灵巧材料和结构的研究的过去和现在的状况。

这个研讨会第一次尝试着正式定义通常被称作“灵巧或智能材料”的技术和科学。

在那个研讨会作出的结论的基础上,作者写了一篇总结文章,包括题为“名字里蕴含了什么?

”的一章。

这一章是由研讨会的讨论引出的,是关于新研究领域的适当的名字。

在日本的这个研讨会的过程中,他们研讨了一些相似的,称为智能材料的这个领域的定义和概念。

为了补充完整,以下包含了来自ARO研讨会总结的摘录,以给出在日本的研讨会提出的几种新概念和定义的比较。

ARO灵巧材料和结构研讨会

将环境和材料传感器、机械驱动器以及电子信号处理和适应控制系统合并,用来制造针对特定传感输入的合适的输出器或驱动反馈,这样的材料在过去的几年被称作“机敏的”、“智能的”、“可感知的”、“生物的”。

最近在美国航空局技术摘要上发表的一篇关于灵巧材料进展的封面文章中,提出了一个比较不同的定义……“灵巧材料的概念是基于材料的传感器合成,因此材料具备自身的‘神经系统’,能够感知外界情况并与其交流”。

最近的出版物中包含和许多其它的定义,这些定义普遍集中在作者正在研究的这些技术和科学上。

在研讨会中,所有术语都被应邀的与会者们使用和定义。

C.A.Rogers博士(1989)开始介绍一个定义,将灵巧/智能材料解释为“包含分布式和/或整体的驱动器、传感器和微处理器功能”,他提出了适应材料和灵巧材料的区别,认为适应材料和结构仅是智能材料和结构的一部分。

例如,一种由形状记忆合金补充成分组成的结构材料,可以弥补在吸收率和热扩散性能上的衰退,其中热扩散性能的衰退会导致这种或其他材料长度的过度变化,这种材料还可以控制结构的运动、振动、声音传播、强度和硬度。

同样的材料可以被用来改变结构或材料中的承载方式,这样,在部件导致系统灾难性的失败或无法接受的性能退化之前,部件就可以被替换成修理——只有把材料与传感器和控制信息相结合,才能叫做灵巧,否则只有适应性能。

将适应技术、感知技术和控制技术相结合便是所谓的“灵巧”。

紧接着,M.V.Gandhi教授(1989)作了题为“创新的超先进智能复合材料”的报告,这种材料是由环氧石墨壳体内填充一种电流变液体组成。

“施加在电流变液上的电场变化可以显著地改变液体的流变性质,从而改变这种超先进性复合结构的整体质量、硬度和耗散性能……通过将基础现象理论、智能传感技术和现代控制策略相结合,来利用这些材料的创新性性能,并以此来促进这种创新性的多功能、动态可调、超先进复合材料的进展……”Gandhi教授关于一种填充了一种适应性材料(电流变液)的结构材料的分类包括至少四个限制的或适应性的描述语,其中包括“智能的”。

几个其他的应邀与会者使用“智能的”术语代替了“灵巧的”。

E.I.Rivin教授(1989)介绍了另一个术语—“被动自适应结构”。

Rivin教授描述了“灵巧的”被动非线性装置的细节,在一些情况下可以使用“灵巧”材料作为补充,以大幅提高临界振动控制系统的性能。

他描述了“明智设计的被动非线性系统”如何“具有令人惊讶的对于环境变化的自适应能力”的潜能。

这里Rivin教授使用了“明智设计”的装置,而G.L.Wikes教授(1988)则提出“灵巧材料”可以简单的称为“设计和制造的良好材料”。

这些定义当然包括最基本的必须条件,一般在其它的更复杂的定义中经常缺少这些条件。

最后,H.H.Robertshaw教授(1989)提出了他的定义灵巧结构概念的原则和评价:

完整的驱动器、传感器和用来指导驱动器的一些智能,这三个必备性质。

Robertshaw教授认为“有机的”或许是最好的选择。

“有机体的”暗示着生物作用,至少是肌肉—骨骼作用,这些都是我们所尝试的,直接或间接模仿用于灵巧结构的。

观察有机体的宏观和可能的微观行为,将指导我们发展目标,也可能发展结构和材料的驱动器、传感器和智能的机理。

例如,人体手臂可以胜任任何高级任务(如,绘画,投掷,击打或钢琴),可以视为有控制规则(智力)的可调节硬度的驱动器,这种驱动器具有显著的表面循环、预安排的行为。

这些观察(和其他)可能对新灵巧结构的发展具有显著的影响。

从所有这些和其他提出的例子,一下可以看作灵巧材料和结构的共性:

1.传感器:

他们具有嵌入的(或粘合的)或自身的传感器,可以识别和测量压力、拉力、热、电、磁、化学、辐射等刺激的强度。

2.驱动器:

他们具有嵌入的或自身的驱动器来响应刺激。

3.控制机理:

用来根据事先决定的关系来控制对刺激的响应。

如果存在不只一个选择,也能够选择响应。

4.响应的时间和性质:

他们对刺激作出迅速的反应,当刺激物消失时,系统就回到它初始的状态。

在引言中,研讨会的联合主席IqbalAhmad博士提出了一些术语的定义,尝试对即将应用于这个兴起的技术科学的名字的一些探想和讨论。

根据Webster国际字典,“灵巧”是:

·

暗示活力、迅速的、活泼的、生动的……

表明感知的智力机灵和敏捷,敏锐的,明智的,机智的

机警的和可疑的完整

对于很多适应性的(驱动器)技术的描述和补充证明,事实上材料/结构是“生物的”和“活泼的”。

具有完整的传感系统的材料和结构表现出“感知的迅速”,当然也是“明智的”,将整体控制具体化要加上“智力的灵敏”。

然而,这个字典也将“智能”定义为:

感知它的环境

认识/领会和学习

理解

预知问题

抽象地思考

McGrawHill科技百科全书(第9卷第272页)定义智能如下:

“综合智力能力应归于大脑的一体化的和适应性能功能,它允许对新的和变化的情况作出复杂,非一成不变的和目的明确的响应,包括辨别、总结、学习、形成概念、推理,以及对记忆,图象,文字和抽象符号的精神上的操作,培养关系和相互关系,思考和解决问题。

很清楚,智能是与抽象思维和学习联系在一起的,这不会在任何形式的适应型和传感型材料或结构中实现的。

Ahmad博士在他的介绍性的评论中,做了如下的提议,虽然没有被一致认可:

“使‘灵巧’这个词得到认可,并且将它定义为一类系统或材料的技术的术语,这类系统或材料具有内建的或自身的传感器、驱动器和控制机制,借此能够在短时间内,以预定的方式对变化的刺激作出感知和响应,并且当刺激消失时它能够回复到最初的状态。

”很多人这种材料系统“回复到它最初的状态”的用途和必要性提出了异议。

但是,这个概念依然和所有其它已被提出的概念是一致的。

智能材料的国际研讨会

以上讨论了由日本科学技术机构提出的智能材料的定义和概念。

然而,虽然他们的概念得到了广泛的支持,但是他们的定义目前并未被所有人接受。

KiyoshiTakahashi博士(1989)提出“智能材料可以合理地定义为具有接近或者可能的话超过生物材料的特性的材料”,他也提出一个材料的层次,由结构材料开始,发展到功能材料,接下去是智能材料,最后是模糊材料。

智能材料的概念包括功能材料提供的功用,再结合附加的性能,如判断/调节功能、自恢复功能、自诊断和时间依赖功能。

IsaoNakatani博士(1989)提出了另一个可能引起广泛支持的定义和概念。

在他的文章中陈述:

“具有‘智能’的材料是这样的材料,可以通过处理各种类型的信号、环境条件和它自己的目的来作出适当的响应。

智能材料具有特有的自主性、灵活多面性和对人类和自然高度的适应性。

”即使上面描述的临时报告基本集中在具有智能特性的整体式材料上,Nakatani博士还作了如下陈述,这个概念在过去几年一直被美国采用,“材料向着智能方向的革命性发展,可能不能通过统一相或单一要素的简单结构实现,但可以用复杂的多成分结构唯一实现。

”这个“预言”引导许多美国研究者考虑如:

“智能材料系统”或“智能系统”等名字,来更好地让我们的行动清楚,并朝着杂化复合系统方向发展。

日本人发起的对智能材料和结构领域最令人兴奋的补充之一是仿生系统。

来自英国、美国和日本的三位科学家讨论了利用仿生途径来设计智能材料和结构的基本原理和概念。

HideoOkamoto博士(1989)解释道:

“通过研究生物体系里的“复合方案”,能够得到新的复合结构的思路……这些复合物(自然界存在的)可能是具有适应环境的最佳结构的智能材料……生物体系是在自然选择下被认为是适应他们的环境的最佳结构(例如,最小材料和最大长度的设计原则)。

此外,生物体系在连续不断的生长过程中维持他们的形态,自诊断,自修复、并且根据他们的环境复制它们的结构材料,从这个意义上说,那些生物成分可以看作固有的智能材料。

JulianVicent博士(1989)将智能材料描述为是“能够感受与痛苦等价的事物(如超载),并且能够用来制造自设计结构的材料”。

他声称这些想法并不新,但却是生物材料体系得规则,是使用仿生途径来设计和模仿结构系统的基础。

他以这个体系的一个具体例子继续说明:

“使用与在生物材料中找到的同样种类的反馈概念,(纤维素和胶原蛋白合成压电纤维),虽然这个反馈概念很可能以不同的方式转换,这样的材料能够对他们的环境适应并相应,如果反馈回路连上计算机,学会对疲劳、超载等做出抵抗和反应,必须让结构自保护。

PaulClavert博士(1989)介绍了用自然的方法和用传统工业的方法来得到结构材料的区别。

“生物似乎在结构材料的化学组分上看不出多功能性,如何加工来获取不同性质这方面体现出十分微妙之处。

人造材料一直以来都采取的是相反的途径,现在所应用的几乎全都是工程热塑性材料……”仿生研究在高效选择、设计和智能材料的应用方面做出的贡献是巨大的。

也许,日本的概念对美国来说最重要的一点就是更好的理解仿生研究的任务和功用的。

这三位研究者也很快指出这个目标并不是简单的复制自然的材料或甚至他们的自设计的特性,而是研究自然的结构适应它的环境和外界的刺激的方式,并且根据自然模型来决定我们的人造结构的合适的功能响应。

S.Tripathy博士(1989)提出了另一个智能材料的定义,“一个智能材料可以定义为这样的材料,具有足够多的信息量来阐述其自身的组织和行为,这能够更好地使用这个组织,并具有执行和提高这样的智能功能的能力。

在由日本科学技术结构提供的定义和概念或由美国军事研究处研讨会论证且提出的的概念都是十分有限的。

虽然这种定义和概念的应用对于实现智能材料系统是很重要的一步,但是我们必须认识到它仅含有智能材料的重要基础(基本功能)之一,传感器。

这个研讨会上介绍的绝大部分文章都是感应传感功能的。

研讨会上的多数展示都是描述在生物材料领域的研究活动,HiroshiMiyamoto博士在一篇文章中提出了关于两个超分子例子的评论---细菌鞭毛和脂质体,并理性地称它们为“智能材料的典型例子”。

蛋白质、核酸或脂油等超分子和生物分子通过自组织聚集成各种各样的细胞器官,表现出下面的非常复杂的特性:

●每个超分子都有其特定的功能,例如,化学物质的传递,生物分子的合成,化学能向机械能的转化;

●超分子通过自组装方式由组成的分子,不使用任何模板,能量和反应分析器

●它们转变它们的结构来响应环境的变化,这样他们就改变他们的性质来适应新环境。

可以看出,用“智能”取代“灵巧”或“适应”,重视了生物模型和在分子和细胞水平上复制生物材料的要求。

然而,并非所有的将自身与生物的和人类比较的定义都会导致似乎偏向某个功能的狭义定义,如驱动,传感或“智能”。

例如,Shirasake博士提出了如下见解,“一般来讲,人类和生物体具有传感、驱动和控制能力的这些特征。

如果材料具有这些性能,他们就可以定义为“活”的智能材料。

在理想情况下,可以认为一个智能材料同时包含这三种性能,在控制性能的止血、反馈和自保养特性对生命体来说是必需的。

为了保持这些定义和概念在一个适当的位置,我们必须认识到,即便在首届智能材料国际研讨会上所有应邀介绍他们的工作的研究者实际上都朝着实现这个概念的方向完成了无价的研究,他们中的大部人在受邀之前都没有听过“智能材料”这个术语。

到此为止,一共只有三次关于智能材料和结构概念的公共研讨论会:

1988年9月的ARO研讨会,1989年3月于日本的IWIM和最近的1990年3月于夏威夷的关于智能/灵巧系统的美日研讨会。

然而,可以看到,美国和日本科学界都单独提出了相类似的概念和定义。

精练这些概念和定义,并且不仅在我们自己的学术界而是世界范围内达成共识,这似乎还需要很长一段时间。

有可能,科学设计进展到某种程度,得到的概念最好是抽象概念,这样每个人都可以仔细考虑并激发未来材料和结构的创造的新途径。

在LeiwCarroll《穿过窥镜》书中是那个权威的矮胖的人将“壮观”这个词定义为“一个非常激烈的争论”的意思。

当Alice反对时,那个矮胖的人反驳说:

“当我使用一个词时”,他说,“我选择它用来表示什么他就是什么意思---不会多也不会少,”现在智能-灵巧-适应材料系统合结构也在以“窥镜”相似的方式被定义,虽然还没有关于应该使用的术语的一致意见,但是在最终目标、挑战或梦想上好像还是有共识的---幸运的是在这个想法上有一个国际范围的信念和一致的意见。

然而,几年以后很可能,一套统一标准的术语被世界认可。

采用“智能材料系统与结构”这个术语的明显的倾向是存在的。

致力于这个新科学领域的最近的第一个国际科学杂志的出版物“智能材料系统与结构期刊”认为,这个术语将继续被越来越多的人接受。

我们的境况不是唯一的。

在最近的一篇由美国机械制造杂志—机械制造学会编辑R.M.Haythornthwaite写的社论中,他描述了一个也许在我们所处的科学年代和“机械制造”领域的高度发展中让人相当惊讶的问题。

他写道,“所缺的是一个单词,来指代作为机械制造从业者的我们行业的平民,”Haythornthwaite通过参考基本关于“机械制造从业者”定义的权威文献和字典,继续阐述了这个问题。

这个问题具有

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