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

活動由深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院、中關村產(chǎn)業(yè)轉型升級研究院、深圳企聯(lián)等機構共同主辦。

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。

中國科學院院士冷勁松發(fā)表演講。

材料是物質的基礎，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，材料是人類進步的物質先導，一代材料決定了一代裝備、一代結構。無論是我們穿的衣服、使用的手機還是各類機械設備，都離不開材料作為基礎支撐。材料種類很多，例如金屬材料，無機材料；高分子材料，還有復合材料，復合的材料是兩種以上的材料復合到一起就叫復合材料。

“具有生命的”材料——智能材料

1989年，日本科學家高木俊宜首次提出了智能材料的概念，認為智能材料是能夠感知環(huán)境變化，并通過自我判斷和結論而實現(xiàn)指令和執(zhí)行功能的新材料?！吨悄懿牧舷到y(tǒng)和結構》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的材料。一個理想的智能材料系統(tǒng)，通常包括相當于“神經(jīng)”的傳感器用于感知，相當于“大腦”的信息處理器用于判斷，以及相當于“肌肉”的驅動器用于執(zhí)行動作。下面介紹幾種典型的智能材料及其應用：

（一）智能陶瓷材料

壓電材料的特點是壓電材料在力的作用下材料表面會產(chǎn)生電場強度變化，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，從而作為驅動器；反之，對其進行擠壓或形變，又能輸出電信號，實現(xiàn)傳感器功能。實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，在加熱后能恢復其變形前的原始形狀，可應用于航空航天、生物醫(yī)學等領域。最典型的例子就是做心血管支架。當心?；蚴悄X?；颊咚偷结t(yī)院急救的時候，醫(yī)生用導管把由形狀記憶合金制成的細絲導入阻塞血管，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)轉變?yōu)轭惞虘B(tài)，撤去場后又可迅速恢復液態(tài)，被廣泛應用于減震器的應用中。

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，在眾多領域都展現(xiàn)出應用潛力。

智能材料的研究進展與應用

在航天領域，傳統(tǒng)剛性太陽能電池發(fā)電成本較高，而且難以進行柔性卷曲和展開，而基于智能材料的柔性太陽能電池具有變形大、柔性高、質量輕等特性。今年9月份，我們團隊自主研制的“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)品同步入軌應用，實現(xiàn)了智能復合材料卷繞式柔性太陽翼在國際上的首次在軌商業(yè)應用。

4D打印技術，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，能夠直接制造出復雜結構。4D打印是將“時間維度”引入3D打印的結構中，打印完成后的物體能夠隨著時間的推移，在外界條件觸發(fā)下自主發(fā)生變化。

4D打印技術-生物醫(yī)療領域應用——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險。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，并已實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，正在進行市場推廣?；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、氣管支架等均可個性化定制，能精準匹配患病部位的形態(tài)與尺寸，植入后，通過外加激勵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。

在智能制造領域，模具是不可或缺的基礎工藝裝備。從華為手機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。以氣瓶結構為例，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、可重復使用，特別適合飛機進氣道等復雜結構的制造。我們研發(fā)的這種智能模具已經(jīng)從實驗室階段進入產(chǎn)業(yè)化階段。

在石油領域，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？可利用智能復合材料補貼管來修復地下破損輸油管道，在管道植入時保持較小的直徑，順利抵達泄漏位置后，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，形成堅固的支撐結構，足以承受地下油壓的長期考驗。

在航空領域，在飛行器的設計上，可變形能力正成為新一代飛行器的關鍵技術。鳥類在高速飛行時會把翅膀收回來以減少阻力，這個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動性，又優(yōu)化了氣動效率。基于傳統(tǒng)材料和結構的剛性變體飛行器具有質量大、機構復雜、維修費用高等問題，限制了其發(fā)展。如今，我們正通過智能材料實現(xiàn)更輕盈、可靠的變形方式。事實上，變形技術已在現(xiàn)有航空領域初步應用。例如客機的翼尖小翼，向上彎折可降低阻力、節(jié)省燃油，展開則能增加升力。

在柔性機器人領域，智能柔性機器人和傳統(tǒng)剛性機器人相比，優(yōu)勢在于成本較低。傳統(tǒng)機械手往往需要較多的電機，成本較高。而柔性機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現(xiàn)抓取、彎曲等復雜動作，在維持功能的同時顯著降低了制造成本?；谥悄懿牧先嵝詸C器人可實現(xiàn)爬行、滾動、蠕動等多模態(tài)運動。軟體機器人憑借其柔順的特性，能夠實現(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器人，通過通電產(chǎn)生靜電吸附力，斷電則自動釋放。這種機器人適用于搬運手機芯片等精密元件，幾乎不產(chǎn)生形變，更加安全可靠。

在結構健康監(jiān)測領域，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、風電葉片、碳纖維地鐵車廂、壓力容器等結構進行服役狀態(tài)實時監(jiān)測，評價其長期在復雜載荷作用下的安全狀況，對危險狀態(tài)提前預警。例如風力葉片等設備常年都在山上運行，面臨損壞、結冰等風險，通過植入傳感器就可以對葉片進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題。

在智能家居領域，例如可變形手機支架，在熱水或吹風機加熱下，會自動展開形成支架，牢固支撐手機。可以集成于手機背面，需要時隨時激活，比傳統(tǒng)機械支架更簡潔方便。可重復使用的盲文紙，傳統(tǒng)盲文紙打點后無法重復利用。而用智能材料做的盲文紙，在打點后只需簡單加熱即可恢復平整，可以再重復使用。

在智能玩具領域，智能可變形玩具為傳統(tǒng)玩具帶來了全新的互動體驗，比如可變形橋梁，平時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。

在智能光學領域，目前手機鏡頭是通過光學調節(jié)實現(xiàn)聚焦，專業(yè)攝影相機是通過機械結構移動鏡頭來實現(xiàn)對焦的。雖然單反機械對焦精度高，但是伸縮結構的鏡頭不適合手機這類輕薄設備。智能可調透鏡可以通過改變透鏡內(nèi)部材料的折射率來實現(xiàn)。當透鏡材料的折射率發(fā)生微小變化時，焦距便會相應改變，從而完成對焦過程，實現(xiàn)手機等電子產(chǎn)品的智能主動控制變焦。

在災害防護領域，針對洪水災害，基于智能材料的防護板進行收卷，鋪設在地面上，洪水來臨時展開并硬化，可有效阻擋水流。利用智能材料的形變特性，可在短時間內(nèi)實現(xiàn)閘口的自主可控開合。

在應急救援領域，以帳篷為例，普通傳統(tǒng)帳篷由于支撐桿太軟無法抵御強風，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。利用智能材料“軟硬可變”的特性，使帳篷既便于運輸存儲，又能在使用時提供堅固可靠的防護保障。

在智能防偽領域，基于熱響應智能材料的創(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，可以設計成“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)，才能成功讀取驗證信息。

智能材料展現(xiàn)廣泛應用前景

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

“人工智能技術與新型智能復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“硬骨頭”重大科學問題和重大工程技術難題之一。人工智能與材料結合，不僅能設計材料，亦能實現(xiàn)對材料的控制，從而為智能社會的構建奠定堅實的物質基礎與引擎。

從智能到智慧：智能材料如何實現(xiàn)自主決策

未來新一代材料的發(fā)展方向將邁向“智慧材料”，它是在智能材料能感知、變形、修復的基礎上結合AI和類生命特性，不僅能響應環(huán)境刺激，更能像生命體一樣，具備自生長、自適應、自我復制的潛能。從“智能”到“智慧”，標志著材料從被動執(zhí)行轉向主動決策的能力躍遷，隨著AI與生物、材料等技術的交叉突破。

材料科學的發(fā)展，還需要多學科交叉融合與協(xié)同創(chuàng)新，將材料學、力學、化學、計算機科學、機械工程等領域前沿研究緊密結合，綜合交叉至關重要。面向未來，需攜手構建產(chǎn)學研用深度融合的創(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應用行業(yè)協(xié)會等機構聯(lián)合舉辦，新聯(lián)會科技聯(lián)盟分會協(xié)辦）