大千世界包羅萬象又千差萬別，萬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。人類有史以來就沒有停止過對材料的改良，通過篩選、嫁接甚至不惜采用轉(zhuǎn)基因技術(shù)來改善農(nóng)副產(chǎn)品；而非食用材料的進步則經(jīng)歷了天然材料、燒結(jié)材料、合成材料、復合材料等階段，將要迎來的是智能材料時代。

　　“基于提升產(chǎn)品性能水平的開發(fā)將是21世紀競爭的關鍵所在，而智能材料將在開發(fā)中扮演至關重要的角色。”這是2003年材料展望研討會會后報告得出的結(jié)論，該研討會是由英國政府資助的，召集專家來共同研討未來技術(shù)的發(fā)展。

彗星1號帶來的噩夢

　　民用噴氣式客機時代始自1952年5月，英國德·哈維蘭公司研制的彗星1號噴氣式飛機正式投入到倫敦到約翰內(nèi)斯堡的民航運營。由于使用了密封增壓艙，飛機可以在萬米高空飛行，從而給旅客帶來高速、平穩(wěn)舒適的空中旅行體驗。

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

在其后的事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，由于頻繁起降帶來的增壓和減壓過程，導致飛機機身金屬材料產(chǎn)生裂紋并逐漸擴展開來，最終導致飛機解體。盡管人們很早就發(fā)現(xiàn)了金屬疲勞的現(xiàn)象——鐵絲經(jīng)過反復彎曲后就會被折斷，但人們對金屬疲勞的深刻認識卻是始于彗星1號。

　　盡管通過采用新材料、改進結(jié)構(gòu)設計的方式可以顯著地降低金屬的疲勞，比如說人們現(xiàn)在司空見慣的飛機圓角矩形舷窗，就是為了避免應力過于集中在矩形四角從而導致金屬疲勞而設計的。然而，金屬疲勞的噩夢依舊揮之不去。2002年5月25日，臺灣華航波音747客機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首。

　　金屬疲勞現(xiàn)象并非航空獨有。1998年6月3日11時許，時速200公里的列車在駛向漢堡的途中在艾雪德鎮(zhèn)附近發(fā)生嚴重的出軌事故，最終造成101人死亡、88人受傷，成為德國歷史上最慘重的鐵路事故。調(diào)查認定，事故是由第2節(jié)車廂一個車輪因金屬疲勞突然爆裂引起的。

　　類似的例子還能在橋梁、船舶、汽車甚至自行車上找到。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，對金屬部件的監(jiān)測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)測方式很難滿足動態(tài)實時監(jiān)測的要求，畢竟人們不能在飛機機身內(nèi)外布置大量的傳感器并放置各種各樣的儀器與設備，因為飛機的氣動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，希望其能有效預防金屬疲勞所帶來的危害。

智能材料：物聯(lián)網(wǎng)的特殊應用

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

　　按照互動百科“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，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定措施進行適度響應的、具有智能特征的材料。

　　這種刺激或者說激勵所代表的物理量通常為聲、光、電、磁、熱、機械力（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特點：感知、反饋、響應、識別、自診斷、自適應、自修復等功能或能力。但感知和響應功能則是所有智能材料所必須的。如果缺少了對作用其上的物理量的感知，那就談不上智能了。

　　雖說智能材料離不開智能，但智能也是分層次的。比如說，用于太陽鏡的變色玻璃，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)境中恢復原有的形狀，或者說記憶合金感知到溫度的激勵后，按照預設的方案進行響應。因為缺少了計算，變色玻璃和記憶合金的“智商”顯得比較低。

　　要實現(xiàn)智能材料更多的功能，計算是不可或缺的，而計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。因為很難將電源嵌入到材料中，無源傳感器因此在很大程度上成為不二選擇；又因為受飛機蒙皮等緊湊型應用物理尺寸的局限，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源、多物理量測量等特點而成為應用的熱門。

　　即便是光纖傳感器，在嵌入到應力敏感材料時，依然會有很大的挑戰(zhàn)，因為光纖的膨脹系數(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)的特殊應用，只不過在很大程度上，這種應用需要獨門絕技，并非一些自詡為物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的企業(yè)敢應承下來。

方興未艾的智能材料

　　今年3月下旬，波音公司宣布，787客機已通過機翼加載試驗，試驗載荷達到運營最大載荷的1.5倍，機翼上翹高度達到7.6米，從而首架飛機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間里，僅解決翼身結(jié)合處結(jié)構(gòu)強度問題就占到了6個月。

　　這種靜力實驗需要大量的模擬負載和復雜的測試設備，又由于其屬于破壞性極限試驗，因此，只能用在地面樣機上。但這并不意味著在飛行中不需要對飛機結(jié)構(gòu)強度進行監(jiān)測。

　　事實恰恰相反。1973年6月3日，蘇聯(lián)時速達2倍馬赫的圖-144超音速客機在巴黎航展上進行飛行表演時，因緊急避讓突然出現(xiàn)在正前方、負責航拍的法國幻影飛機而導致失速，在平飛改出時機身嚴重過載而超出設計極限，造成左翼折斷，飛機最終在空中解體。

　　伴隨著技術(shù)的進步，如今SHM已成為智能材料與結(jié)構(gòu)領域中重要而特殊的應用。說其重要，是因為諸如波音、空客等飛機、舊金山金門橋等橋梁上的典型應用涉及的都是人命關天的事兒。說其特殊，是因為在SMH中僅有傳感器被放置在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)內(nèi)部或者表面，而信息處理以及其后按照預定方案的響應都在被監(jiān)測結(jié)構(gòu)之外，因此，SHM更像是物聯(lián)網(wǎng)的應用。

　　肩負著引領英國成為全球創(chuàng)新領導者的英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會，確定了6項關鍵的核心技術(shù)：高附加值制造，先進材料，納米技術(shù)，生物科學，電子學、光子學與電氣系統(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。