基于仿生特性的智能材料在建筑領域的應用探究

楊宇軒

（南京航空航天大學 材料科學與工程專業 江蘇 南京 211106）

1 引言

智能材料是一類新型復合材料，它的發展十分迅速。目前多方面對智能材料的認識還沒有達到完全的統一，概括來說，智能材料是從最初的自然物質到人工合成再到復合設計這三個階段之后所發展起來的新型仿生材料，是指能夠感覺外部刺激，并能對刺激進行分析和預判，進而根據特定環境采取一定的措施進行合理響應的智能特征材料。

2 智能材料的功能和特性

2.1 仿生學助推智能材料的功能完善

人類對材料功能的需求越來越高，當材料發展到一定階段之后，科學家想研制出一種仿生材料，因此，智能材料應用而生，在這過程中仿生學的理論對科學家的啟發不容小覷，他們通過復合功能融合和仿生設計，智能材料就具有了類似于生物體的各種器官的“活”的功能。因此，在此情形下設計出的智能材料理應具有或者部分具類似于生物體各種器官的“活”的功能和特性。

（1）傳感功能：顧名思義，即傳導和感應，智能材料系統夠象生物體那樣，感知自身環境的變化并能正確選擇傳導到這些變化信息。

（2）反饋功能：當外界或自身能所處的環境條件變化發生時，智能材料可通過其具有的傳感網絡對變化前后的信息進行對比，并能做出記錄與反饋。

（3）信息識別與積累功能：當外界或自身能所處的環境條件變化發生時，智能材料能夠對變化的信息進行識別與不斷積累。

（4）響應功能：當外界或自身能所處的環境條件變化發生時，智能材料能夠適時動態地根據具體環境要求作出適度的反應。

（5）自我調節功能：當外界或自身能所處的環境條件變化發生時，智能材料能夠類似于生物體那樣“活動”地調整狀態，適度地改變形態，以一種“智能”化、“仿生”化的方式“表態”自身，去不斷適應環境變化。

（6）自我診斷功能：當智能材料系統出“亞健康”、“故障”、“病灶”時，它能夠反復對比新舊信息，對材料系統中存在的這些問題進行數據分析、自我診斷，并及時反饋。

（7）自修復功能：智能材料能夠通過原位復合、自生長等再生功能來修復系統內部的某些破壞或損傷。

2.2 仿生特性增強智能材料的應用深入

仿生學對智能材料的發展起到推動作用，借助于生物對外部環境的感知和、調節和適應，科學家發現智能材料系統中必須具類似于人類的大腦、神經系統、肌肉等器官和組織，用來收集、分析、處理各種信息。因此，智能材料系統中理應或多或少地含有下面的幾個特別的要素：

（1）“神經細胞”要素：“神經細胞”在智能材料系統中充當傳感器的角色，當外界環境變化時，用以感知、收集信息。

（2）“大腦細胞”要素：“大腦細胞”在智能材料系統充當中央處理器的角色，這是智能材料系統的指揮中心，也是最核心的部分，它直接體現材料系統的處理問題的“智商”。

（3）“肌肉細胞”要素：“肌肉細胞”要素在智能材料充當執行器的角色，其作用是根據“大腦細胞”——中央處理器發出的反應指令進行適應性的動作。

（4）“神經網絡”要素：智能材料系統應擁有及時暢通的通信網絡，用傳輸“神經細胞”、“大腦細胞”、“肌肉細胞”之間的信息傳輸與功能反饋。

由此看出，智能材料是一種具有高度仿生特性的先進材料，它的這種仿生特性決定了在各領域的應用不斷深入，特別是在與生活息息相關的建筑領域的應用更加具體和多樣。下面結合實際情況闡述一下智能材料為建筑領域帶來的新的變化。

3 智能的建筑材料

3.1 智能玻璃

玻璃作為建筑采光材料具有不可替代性，由于智能材料的發展，在玻璃方面近年來出現了很多的新技術新產品，如：

（1）熱變色玻璃：主要是在玻璃中加入熱變色材料，玻璃受熱時引起化學反應，進而引起內部材料顏色的改變，這種玻璃會隨著太陽光變化而改變特性，人們利用它來散射或被吸收太陽輻射。

（2）電致變色玻璃:當玻璃通過低壓直流電的驅動時，它能夠根據需要適時調光，其中的電變色材料(如W03)變亮或變暗，對日照中紫外線的消除率達到99%左右。

（3）電泳玻璃:這種雙層玻璃面上附著了透明的涂層，涂層可以導電，雙層玻璃中間充滿懸浮液，當有電流通過時時，懸浮液中的黑色針狀懸浮顆粒在電流的作用下會產生定向排列，起到改變透明度的作用，有時根據電壓大小也可做到連續調光。

3.2 智能涂料

涂料作為建筑中的“化妝品”十分常見，隨著生活水平的提高，涂料的功能被不斷開發，智能涂料的出現十分耀眼。如：在涂料中加入輕質熱敏物質，該涂料會象上述講的智能玻璃那樣隨著溫度和光照的變化而改變自身的顏色或狀態，或深或淺或冷或暖。有時也用它實現能量循環，也可在其中植入抗菌聚合體從而讓涂料擁有健康衛生功能。

3.3 環保磚

有一種“燒結型透水保濕路面磚”，用工業廢料制成，具有良好的透水透氣性，實現環保加生態的雙重效果；另一種磚使用形式是利用自身多孔結構和表面涂覆材料，有效吸收汽車尾氣等有害氣體。

4 智能材料的仿生功能在建筑領域的應用

4.1 “自診斷”功能

具有自診斷功能的碳纖維壓敏混凝土結構得到了廣泛的應用，即在水泥漿中加入碳纖維材料作為導電材料，為了調節其硬化電阻的特性，我們會通過控制纖維用量和制備工，讓它會隨外界的壓力變化而變化，也即對應力敏感，當混凝土結構內的應力接近損傷區或破壞區時，這種結構系統可自動報警，該技術已在長江三峽工程的圍堰上應用，并取得較好的效果。

利用這一特性，對長江三峽工程、其他橋梁及重要的工程結構，實現內部結構適時監測和階段性損傷評估。

4.2 “自愈合“功能

長期以來，橋梁、高大的建筑設施以及地下管道的“健康”狀況難以估摸，科學家正集中力量研制一種智能材料，讓其在“服役”時能自我診其“亞健康”、“故障”、“病灶”狀況，并能根據條件“醫治疾病”的材料。根據報道，西方科學家經過長期研究，已經研發出了具有自愈合功能的復合纖維。這種纖維具有很強的仿生功能，在建筑中作用十分明顯，若把這種智能纖維適量的加入混凝土中后，當混凝土出現“亞健康”時，它能通過其自身系統感覺混凝土中出現的細小的裂紋，然后通過其智能系統釋不斷放出一種物質，自動填充到混凝土的裂紋中達到粘合的效果，若在鋼筋周圍加入這種防腐蝕纖維，當鋼筋周圍出現“病灶”時，纖維的涂層不斷放出一種物質來阻止混凝土中鋼筋被腐蝕，起到很好的保護作用。

4.3 “自動化”功能

在鋼筋混凝土中預置光導纖維，它可以代替原來的導線用作強度監測、通訊等，并能實現建筑物的辦公自動化，目前正在深入研究的利用驅動件制成可改變結構層面剛度的主動抗振剪切板以及具有控制系統的抗震智能建筑物，其主要做法是是在結構中埋入壓電加速度計。

5 結語

智能材料在建筑領域的應用還有很多方面，本文只列舉了其中一小部分，未來智能材料將在建筑領域占據重要位置，我們應多了解和掌握智能建筑材料的仿生特性和結構特征，開闊自己的知識面，通過不斷的實踐和研究，相信智能材料的應用能給建筑及人們的生活帶來巨大的好處。