未来的马路会修补自己的坑洞,骑士也好,议员也好,都可以放心了

2020-07-16 22:53浏览 : 555

未来的马路会修补自己的坑洞,骑士也好,议员也好,都可以放心了

想像一下,若你拥有的物品可以自主感知、回应、移动、调节、变形、修复,你的生活将会变成什幺光景?以上所述,在未来都会一一实现。不需要人为施加外力,不是利用机器人或电子技术,这些固态物品自会发挥功能。在光线、温度、湿度和外力的刺激下,这些物品会相应改变颜色、外观、磁性等特质。智慧材料牵涉的範围极广,在我们有生之年,一定可以看到智慧材料融入我们的生活,包括饰品配件、人形机器人的结构材料、可管控室内温度的变色屋顶,乃至可以自行打开的烘豆罐头。

智慧材料并不是全新玩意,事实上,大自然早在人类发现之前便孕育出会向着太阳移动的植物,以及下雨时会阖起的松果。综观人类历史,智慧材料屡屡可见,例如早在四千五百年前,吉萨金字塔上便运用了有自动修补效果的灰浆。然而直到一八八○年,科学家才真正认识智慧材料的特性。法国物理学家皮耶.居礼(Pierre Curie)和雅克.居礼(Jacques Curie)两兄弟发现,大理石中常见的石英结晶经压缩会生成电压;一年后,两人又证明了这个现象可以反其道而行,将电压施加于石英结晶可使其收缩,并称之为「压电效应」(piezoelectricity)1。一次大战期间,能够产生压电效应的结晶首度用于声纳探测装置,如今用途更为广泛,诸如打火机、麦克风、时钟、超音波造像设备都用得上。

居礼兄弟的科学突破让材料学者、工程师和发明家都重新省思材料设计之道,进而发现了更多新型智慧材料。今日有数以百万的专利发明都是因这些智慧材料而存在。广义来说,智慧材料的功能分为六类:变色、感知、移动、温度调节(加热或冷却)、自行修复、相变(结冰与融化)。智慧材料的应用并非仅见于科幻小说与实验室内。我们平常就已经在使用若干智慧材料产品,像是会随阳光增强而变暗的太阳眼镜,还有倒入热咖啡会变色的马克杯。

有了智慧型单车,以后再也不必担心路面坑坑洞洞、轮胎爆胎或车子刮伤掉漆。多亏能迅速调节体温和防风挡雨的衣物,骑乘单车更是风雨无阻。要是没注意到时间,天黑了还没回到家,车轮压过道路时会持续发亮。万一不小心摔车了,破损的智慧型衣料可以沿路自动修补。

若想去远方旅行,通常得搭飞机。未来的新型客机外型更像一只飞鸟,可随着气流与气压变化外形,让旅客享受更平稳舒适的飞航体验。新飞机之所以能省油又迅速,全是智慧材料的功劳。以上种种令人兴奋的描述,都来自未来智慧材料世界。

小小一辆脚踏车的智慧

现在的製造商刻意限缩产品寿命,逼使消费者反覆购买。像这样有计画地淘汰产品,甚至将产品设计得难以修复,都在鼓励民众不断消费,养成用坏即丢的习惯。以脚踏车为例,虽然多数脚踏车都採通用设计,方便更换零件,不论哪个部分坏掉了,看起来都能够彻底修复。但就算再怎幺爱惜脚踏车,骑久了也难免烤漆脱落、零件鏽蚀、轮胎破损,最后不得不沦落至垃圾场。幸好,智慧材料将解救脚踏车摆脱厄运。

具有自动修复效果的涂料含有球形微粒,一旦车体表面刮损,破裂的球形微粒会释出树脂修补剂,自动填满刮痕。想让轮胎也能自补破损,可在原料硫化橡胶下工夫,使其长分子链含带电粒子(离子)。相邻分子的电荷相反离子会彼此吸引,组成强离子键,使整体材料稳固耐用。就算分子因橡胶撕裂而两相剥离,也会循电荷异性相吸的简单原理自发重组离子键。现有的防爆胎在轮胎内层另涂有密封胶以防堵破洞,智慧型轮胎使用的则是可再三封起破口的单一成分。

把脚踏车停在户外淋雨,外露的零件很快就会生鏽,使金属表面趋于硷性。加酸显色材料(halochromic materials)会随着环境的酸硷值变化而改变颜色,就像石蕊试纸一样。最常见的例子是酚酞,一种弱有机酸,遇到硷性物质就会变成粉红色。只要使用含有这类材料的涂漆,小至脚踏车零件,大至铁道桥梁,有助于在造成严重损坏前有效地辨识并处理初期鏽蚀,防微杜渐。

美国太空总署在抗蚀涂料的研究上更进一步,开发出来的智慧型涂漆不仅让腐蚀现形,还含有特殊微型胶囊,会在硷性浓度上升时释出油性抑制剂,防止鏽蚀恶化。这种自动防鏽技术将大大影响一国经济。在英国,每年光是和蚀鏽有关的支出就高达六百亿英镑,占国内生产毛额的百分之三左右。

也许我们很快就会看到压电材料应用在街灯、路标和交通号誌,其动力并非来自传统电力,而是来自车辆行驶的街道本身。当今最常见的压电材料是人造陶瓷「锆钛酸铅」(Lead Zirconate Titanate, PZT),它在挤压下会产生电压,因为其原子排列成不对称的晶体结构。大多数人对于晶体的印象都是亮闪闪的宝石,但在材料学者眼中,固态晶体的原子相连成行、井然有序,排列出重複的立体样态。的确,宝石是晶体,金属、陶瓷、冰块、岩石和某些塑胶又何尝不是由晶体组成。在大部分的晶体结构中,原子组合成对称的重複单元,不管从后往前看,还是上下颠倒看,都是一模一样。然而如前所述,压电晶体的结构是不对称的重複单元。一般来说,压电晶体原子的电荷会正负相抵(亦即正电荷会被邻近的负电荷抵销)。但若挤压或延展不对称的重複单元则会造成原子移动,使得电荷无法相抵,于是这些重複单元的一侧会带着正电荷,另一侧带着负电荷。要是挤压晶体内的上百万个不对称单元,就会生成足以测量的电压,接上电路后就可以收集成有用的电力。把压电晶体铺排于柏油路面之下,车胎压过去时就能使这些智慧材料发电。把电力储存起来还可用于路灯照明。目前这类技术已进行过好几项实验,结果看来大有可期。我们甚至可以将相关技术应用在轮胎或鞋底,就能透过移动来发电。

未来,坑坑巴巴的马路将成为过去式,单车和机车骑士也好,地方议员也好,都可以放心了。智慧水泥材料可以侦测破损,自行修补。当水泥路面裂开,内层触及空气湿度或雨水时,内嵌的智慧材料就会受到刺激,将破口补起来。例如有一种以黏土为基础的添加剂,内含休眠细菌与乳酸钙。冰箱里放太久的陈年乳酪表面常会有一层白色结晶,那就是乳酸钙。当休眠中的细菌遇水活化,开始消耗乳酸钙,同时分泌石灰填补破洞,以免洞越破越大。这种添加了细菌的水泥可用于道路、桥梁等基础建设,在地震频繁的国家应该特别好用。

当天气变冷了,单车骑士需要能随时调节体温的衣物,最好骑车时能通风,平常穿又能保暖。解决方法就是能够记忆形状,并且加热变形的聚合物,包括橡胶、塑料和蛋白质等。形状记忆聚合物在一开始製造时便会设定「记忆」形状,然后透过加热暂时改变形状再予以冷却。当温度达到变形温度时,聚合材料就会「恢复记忆」。这种智慧材料可以记住每次加热、冷却后的形状。服装製造商可为单车外套的鬆软内衬添加形状记忆聚合物,冷天时,内衬会如睡袋那般留住空气;要是人在运动时体温上升,便可相应收缩,加强透气。

同理,可灵敏察觉湿度起伏的聚合物则会遇水变形,乾燥时很硬挺,泡水就变得柔软鬆弛。以此聚合物製成的衣料具有对湿度非常敏感的微型鳞片,在无水状态下,鳞片会与布料纤维呈直角,使衣料透气,遇到降雨则鬆弛变平,与纤维相互叠加,形成难以穿透的不透水层。

我们都知道,人的皮肤受伤后会自行癒合。骑单车发生意外跌撞时,这种自癒机能特别派得上用场。多亏了可自动复原的智慧型衣料,我们穿的衣服未来也可以有样学样,被撕破后还能自动修复。这类布料纤维包含了一种极为特殊的蛋白质,既可取自乌贼触脚吸盘周遭的「牙齿」,也可在实验室中合成。这种蛋白质能使小型撕裂处两侧的布料形成新的化学键,只要加点水分按压不到一分钟,裂缝就能重新密合。摔了一跤的单车骑士还没骑到终点,破掉的裤子早就自动补好了,比修补破碎的自尊心更快、更简单。

未来的飞航机器

在脚踏车发明的五百多年前,达文西受到飞鸟启发,设计了史上第一个飞行器。他的飞行器具有关节灵活的木造机翼,拍击起来宛如鸟类或蝙蝠的双翅。相比之下,现在飞机结构刚硬,没有多少可以活动的部位。放眼未来,智慧材料将使我们摆脱眼下僵化的飞航设计,重新审视达文西的设计灵感,让飞机性能变得更强大、更有弹性,感应更灵敏,更能适应瞬息万变的天气。

在飞行过程中,飞机必须要能承受来自各方的各种作用力,现有的传统造型不一定是最理想的。未来的新型飞机机翼说不定可摊平或膨胀,让通过机翼的升力最大化,并且可随着不同的飞行阶段折叠、伸展、起伏或贴近机身。像这样依情况立即调整,减轻风阻,让起飞距离缩短,驾驶员也得以更有效运用空气动力,操控自如。另一方面,不仅可以缩短飞行时间,节省耗油,机上乘客也倍觉安稳。

要落实上述飞航科技,必须结合智慧材料的种种特性。机翼的移动部件将会用镍钛记忆合金一类材质製成,能在受热及遇冷时转变为不同的预设外形。轻盈的智慧变形材料也将成为要角,例如依电压有无而缩放的电活性聚合物。作为製造飞机外壳的形状记忆聚合物格外重要,既得十分坚韧,足以承受空气动力,又得弹性十足、可伸可缩,以利机翼改变形状。

上述许多的智慧材料还得兼备感测器,压电性与电活性聚合物在承受外来压力的同时可产生足供测量的电信号。光纤的折射率会随温度或外力而改变,将它们嵌入机体构造中,可使飞机既坚韧又轻盈,还能监控飞行时的损害、破裂及动态应变。智慧型材料的用途无所不包,可应用于各种地方,小至灵活的电子装置,大至可警示工程师结构潜在缺陷的智慧型水泥建物。

利用量子穿隧複合物(quantum tunneling composites, QTC)作为材料,未来飞机很有可能具备与人类相当的触控敏锐度。这类智慧材料一经挤压,就会由绝缘体转为电导体。材料本体柔软而有弹性,内含微小的镍粒子。由于材料本体为绝缘体,镍粒子在惰性状态下相隔甚远,无从导电。不过受外力挤压而活化后,镍粒子彼此缩短距离,使电子穿透绝缘状态,整体基质因此成为电导体。量子力学描述起电子位置,着眼的并非确切座标,而是位于特定所在的概率,当镍粒子的电子靠近基质的绝缘屏障,贯穿屏障(而非反弹)的概率儘管极小,倒也不至于铁定失败。换言之,按量子力学的说法,只要试图穿过绝缘体的电子够多,便有机会抵达绝缘体外侧。如上特异材料,现由美国太空总署用于生产可感应紧握物品程度的机器人,未来还可製造出适合截肢人士的崭新触控萤幕和灵敏义肢。

智慧材料的遗泽

本章所介绍的智慧材料都可在实验室里成功运作,然而要在日常生活中实现,仍得克服不少问题。在很多情况下,智慧材料的反应时间太常,质地不够坚固,表现还不够稳定。它的性能也会随着时间而减弱,现阶段要想在工作装置加入智慧材料并非易事。研究人员经常难以掌握智慧材料受到刺激的转变门槛,有些材料还内含毒性。此外,一如众多新兴科技,智慧材料要价惊人,昂贵的製造成本和难以取得的原料,在在阻碍了发展与推广。

话说回来,我对智慧材料的前景倒是很乐观。只要科学家研究不懈,各式各样的难关都可以克服。如同网路改变了人们处理资讯的方法,智慧材料一定也会彻底改变我们与物质世界的互动。就字面来说,「物品」无知无感,任凭外界处置。从个别来看,智慧材料也不过只会一种把戏,随着外在的刺激指令在「开始」与「结束」之间来回转换状态。

但是若能将各式智慧材料统合起来,就能打造一架可以生产及处存能源、感应自身状态及周遭环境、自行组合并修复、适应各种环境,还能与同类交流的飞机。现在这个「物品」是不是听起来彷彿有了生命?

于是智慧材料也引着人类去省思好些重大问题。智慧型产品是否一定会让我们的生活变得更好?将简单之物赋予许多複杂的新功能,固然能使生活更便利,却也在生产、使用及回收上耗去更多宝贵能源与稀缺资源,如果是这样的话,人类应该捨简就繁吗?相反地,就算智慧型产品可以减少消耗与浪费,也会产生另一个麻烦。具有自动修复机能的智慧材料延长了物品的寿命,却也为製造业和商业带来巨大挑战。社会经济体制将如何调适?使否只有富裕的社会菁英阶级才享用得起智慧产品?要是人们过于依赖智慧材料来实现自动化生活,久而久之是否会失去了独立思考与批判思考的能力?人造物品诉说着人类社会演化的进程。总有一天,眼下的尖端智慧材料都会成为博物馆内的展览品,成为后世子孙缅怀前人的凭藉。那幺,这一项项展览品又将诉说怎样的历史故事?

我认为,智慧材料对于世界的影响利大于弊。例如製造未来飞机所需的材质也可用来製造智慧型义肢,使其具备感应及自动修复能力,还可以直接由大脑控制。衣物织品或各项基础设施若能因应外界变化,让气候变迁的受灾民众可以减轻苦楚,那幺相关技术就值得我们继续研究。人与物质的关係是非常私人而且複杂的,反映出当下时代的观念和思想主流。我希望,等我们这一代的人离世之后,智慧型产品所呈现的人类演进可与材料本身相映成趣,在充满变化与挑战的环境中保持敏锐与韧性。

作者简介:安娜.普洛萨斯基(Anna Ploszajski)

白天是工程师暨材料科学家,晚上则致力于科学传播。她经常以材料科学为主题表演单口相声,拥有自己的播客节目,并且在《材料世界》(Materials World)等期刊上撰写文章。2017 年赢得英国皇家工程院杰出青年工程师奖(Young Engineer of the Year),并进入全球科学最具规模的科学传播比赛FameLab 的英国区决赛。闲暇时喜欢吹小号,正在锻练游泳,目标是游过英吉利海峡。


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