縱觀人類文明發(fā)展史，材料科學(xué)的每一次重大突破都推動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展。隨著人工智能時(shí)代的到來，材料科學(xué)也有望迎來又一次飛躍的機(jī)會(huì)。

9月19日上午，在深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院“科技創(chuàng)新院士報(bào)告廳”活動(dòng)上，中國科學(xué)院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院院長冷勁松，圍繞“具身智能：智能材料與人工智能”主題作了專題分享。

在冷勁松看來，智能材料已成為新材料領(lǐng)域的前沿方向，而它與人工智能深度融合所形成的“智慧材料”，更將深刻影響人類社會(huì)的未來。

智能材料：能感知、會(huì)響應(yīng)、可變化

什么是智能材料（Smart Materials）？

冷勁松回溯了這一概念的發(fā)展歷程。1989年，日本科學(xué)家首次提出智能材料的概念——能夠感知環(huán)境變化、作出判斷、執(zhí)行指令的新型材料。在他看來，人類自身就是最極致的智能材料系統(tǒng)：“人體擁有作為傳感器的皮膚神經(jīng)、作為驅(qū)動(dòng)器的肌肉組織、作為支撐結(jié)構(gòu)的骨骼，甚至具備自我修復(fù)能力(傷口愈合)?！?/p>

冷勁松以“能否主動(dòng)變化”作為區(qū)分傳統(tǒng)材料與智能材料的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，“能隨外界刺激改變形狀、軟硬、顏色、功能的，才稱得上智能材料”。這類材料往往具備感知、驅(qū)動(dòng)與信息處理一體化的特征，無須傳統(tǒng)機(jī)械或電機(jī)結(jié)構(gòu)，僅通過電、磁、光、熱、溶液pH值等外界條件即可觸發(fā)響應(yīng)。

目前學(xué)界共識(shí)：與傳統(tǒng)“靜的”材料不同，智能材料是一類能夠“動(dòng)的”材料，主要包括形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料、電致活性聚合物及其復(fù)合材料、形狀記憶合金、壓電材料及電/磁流變材料等。智能材料具備主動(dòng)可控變形、變性能和變功能等特點(diǎn)，可為航天航空、生物醫(yī)療、增材制造和柔性電子等領(lǐng)域帶來變革性和顛覆性的創(chuàng)新。

圖為冷勁松在深圳創(chuàng)新發(fā)展研究院作“具身智能：智能材料與人工智能”主題分享

報(bào)告中，冷勁松系統(tǒng)梳理了至少二十類智能材料及其典型應(yīng)用：

壓電材料：可實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換，用于振動(dòng)控制、精密驅(qū)動(dòng)；

形狀記憶合金：如心血管支架，加熱后展開支撐血管；

磁致伸縮材料：用于超聲換能器與微位移裝置；

電流變/磁流變材料：可通過電場(chǎng)/磁場(chǎng)改變黏度，應(yīng)用于汽車自適應(yīng)減震器等；

介電彈性體：通電可發(fā)生大形變，用于軟體機(jī)器人仿真運(yùn)動(dòng)；

光致變色材料：如波音787舷窗、變色眼鏡；

力致變色材料：通過顏色變化可視化應(yīng)力分布，用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)；

自修復(fù)材料：如自愈合汽車保險(xiǎn)杠；

形狀記憶聚合物：可設(shè)計(jì)響應(yīng)溫度、光、溶液等不同刺激；

柔性太陽能電池帆板：應(yīng)用于低軌衛(wèi)星能源系統(tǒng)；

4D打印結(jié)構(gòu)：隨時(shí)間或環(huán)境改變形態(tài)與功能；

人工肌肉材料：用于仿生機(jī)器人面部表情控制；

傳感型纖維：如汗孔自適應(yīng)調(diào)溫服裝；

變剛度結(jié)構(gòu)：用于可展開帳篷、應(yīng)急梯；

智能窗體系：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光、透氣與圖案變化；

液態(tài)透鏡：通過調(diào)節(jié)折射率實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦，可用于智能手機(jī)；

變形模具與管道：用于復(fù)合材料成型及石油井下修復(fù)；

防偽標(biāo)識(shí)材料：如熱觸發(fā)三維碼、智能瓶塞；

食品級(jí)變形材料：如遇水自成型意面、巧克力；

腦機(jī)接口執(zhí)行材料：通過生物電信號(hào)控制假肢或外圍設(shè)備。

這些材料已在航天航空、醫(yī)療健康、智能制造、能源電力、建筑家居等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

AI賦能，讓材料“活”起來

人工智能技術(shù)為智能材料的蝶變提供了可能。

冷勁松介紹，在智能材料的基礎(chǔ)上，中國首次提出了“智慧材料（Wise Materials）”的概念。通過對(duì)智能材料進(jìn)行人工智能訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，智慧材料能夠?qū)崿F(xiàn)“類生命”自主決策與響應(yīng)，具有強(qiáng)生存、強(qiáng)適應(yīng)、強(qiáng)自主、自生長等特性。

冷勁松說，智慧材料能夠感知外部環(huán)境并提取有效信息，通過建立深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行理解和判斷，從而自主作出相應(yīng)的決策和行動(dòng)。這種“智能材料+人工智能+類生命特性”的高度集成，不僅能夠感知、響應(yīng)、變形和修復(fù)，更具備自決策、自適應(yīng)甚至自生長能力。

冷勁松展示了智慧材料的多個(gè)前瞻應(yīng)用，如通過肌電信號(hào)控制智能材料假肢完成抓握動(dòng)作；利用眼球運(yùn)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)可變焦距透鏡；結(jié)合腦機(jī)接口，以“意念”操控材料執(zhí)行喝咖啡等復(fù)雜任務(wù)。這類系統(tǒng)正逐步模糊生物與非生物的界限，向著具有環(huán)境意識(shí)、自主響應(yīng)能力的“類生命材料”演進(jìn)。

“當(dāng)前的具身智能系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)感知、決策與控制，但執(zhí)行仍依賴傳統(tǒng)電機(jī)與機(jī)械結(jié)構(gòu)?！崩鋭潘烧f，“若將執(zhí)行層替換為智能材料，實(shí)現(xiàn)‘機(jī)體智能’，就有望真正走向‘身智融合’?！?/p>

智慧材料塑造明日世界

基于智慧材料的智慧結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，將賦予高端裝備“環(huán)境感知、自主決策、自主執(zhí)行任務(wù)”三位一體的能力，引領(lǐng)航天航空、生物醫(yī)療和機(jī)器人等領(lǐng)域邁入智慧化新時(shí)代。

根據(jù)多家國際機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2030年，全球智能材料市場(chǎng)規(guī)模最高有望達(dá)到2500億美元。在冷勁松看來，隨著AI、腦科學(xué)、生物技術(shù)的交叉融合，智慧材料將深刻重塑多個(gè)產(chǎn)業(yè)面貌：

在醫(yī)療領(lǐng)域，可降解個(gè)性化支架、靶向藥物輸送系統(tǒng)、組織再生支架等，將實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更人性化的治療；

在能源領(lǐng)域，柔性光伏發(fā)電裝置、海浪發(fā)電材料、智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可助力綠色能源轉(zhuǎn)型；

在日常生活中，自適應(yīng)家居、智能穿戴、個(gè)性化玩具、食品加工等新形態(tài)產(chǎn)品，將大幅提升生活品質(zhì)與趣味性；

在安全防護(hù)方面，洪水應(yīng)急屏障、變形救援設(shè)備、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可為城市與民眾提供更強(qiáng)保障。

冷勁松坦言，目前，中國在基礎(chǔ)研究與部分尖端領(lǐng)域（如航天柔性電池板）已國際領(lǐng)先，但在消費(fèi)品轉(zhuǎn)化、產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)上仍與發(fā)達(dá)國家存在差距?！安牧鲜腔A(chǔ)，但要與終端應(yīng)用緊密結(jié)合。我們需要更多跨學(xué)科合作，聯(lián)動(dòng)企業(yè)加快產(chǎn)品化步伐。”

在報(bào)告結(jié)尾，冷勁松引用古希臘哲學(xué)家赫拉克利特的經(jīng)典名言——“世界上唯一不變的是變化本身”，來表達(dá)他對(duì)智慧材料的由衷贊美。

“材料如果能變化，能夠適應(yīng)環(huán)境，變成你需要的顏色、形狀、軟硬、大小、功能，肯定比不變好?！崩鋭潘烧f，變比不變好，這正是智能乃至智慧材料的本質(zhì)魅力。

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