智能材料的发展要素与4D打印技术结合

赵 沪

（新疆大学机械工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830046）

引言

随着人们对人工智能领域的研究不断深入，它已经冲出计算机科学的范畴，面向更多需要人的思维、意识等参与的领域中。智能材料的创造与人工智能的精髓不谋而合，它是现代高科技材料，区别于一般传统材料，自身具有独特的功能特性，可以完成适应条件的一系列调整措施。

智能材料一般由一个材料系统来显示其智能性，不仅代表结合多种基本材料组元，更重要是结合多项功能的配合。在如此复杂的体系中，智能材料需要以人工智能为支撑，融入其中的思维方式和智能行为，考虑更多的因素和不同领域的融合。

1 智能材料的发展要素

1.1 智能材料的传感性能

把传感器从独立的分立式元件，埋入到材料的系统中，实现对材料的精准检测，为自修复性能提供基础。比如，把光纤传感器埋入复合材料，可以实现对材料工作状态受到的载荷和损伤程度进行实时检测。具体情况主要有几个方面：对应变的检测、对应变和温度的同时检测、对内部局部开裂的检测、对内部固化情况的检测等[1]。

不同的传感元件都具有自己的传感特性，因此，需要对相关传感元件的特性进行深入的分析，除了传统的传感器需要具有好的稳定性、灵敏性和抗干扰性能以外，当它埋入复合材料的结构中，与结构的配合问题是关键，要与材料结合得好，并且尺寸结构上尽量不对材料结构造成影响。这就要为了适应智能材料系统，对传感元件要进一步优化。同时，传感器埋入复合材料这一特点，传感器信号的检测方面也受到了影响，检测方法和信号处理系统都需要作出相应的调整。

1.2 智能材料的驱动性能

目前的驱动元件有压电元件、形状记忆合金、电致伸缩元件、磁致伸缩元件等。区别于普通材料，驱动元件可以给智能材料自适应特性，智能材料才能因外界环境的改变而产生响应。驱动元件发挥的功能，智能材料从简单形态向复杂形态过渡[2]。驱动器在制造中要考虑很多的因素，比如，结构要简单、与基本材料的结合度要好、机械性能要优良、便于控制、稳定性要好[3]。

其中，形状记忆合金驱动器与传递机械或者电磁驱动器相比，几乎没有能量损耗，并且使得材料获得的驱动性能十分好。首先，它的变形能力很强，因此可以获得较大的驱动行程。它工作和断裂应力很高，因此材料便可以承载更大的强度要求。再者，它能量体积比很大，可以支撑智能材料系统获得较大的驱动力。所以，驱动器的性能是影响智能材料系统的关键性因素，驱动元件如果能多功能集成，那么智能材料系统也可以向功能更全面地方向发展。

1.3 智能材料的响应性能

当控制元件集成在智能材料的结构当中，这个结构就是受控制的那个对象。受控对象要在时间维度变化时，产生设定好的形态。关键是，它能够感知到外界刺激，做出相应的执行和反馈。比如，碳纳米管混合智能材料可能成为一种具有独特属性和应用的新型智能材料。碳纳米管及其复合材料有一个压电电阻（电阻随应变变化）的响应，用于监测复合结构的负载和应变[4]。

除了压电效应以外，碳纳米管的电致变色性能也十分出色，表明碳纳米管对智能材料的响应性能产生了很大的影响。

这种响应性能特别依赖材料的智能控制技术，我们的研究精力主要花在控制器上面，根据控制器的智能性便可以引导受控对象成型效果。结构的智能性体现在受到智能控制时，响应的独特性，无论是频域分析或者时域分析，都无法特别好的解决材料受环境的影响[5]。

所以，智能控制下材料的响应性能是一个复杂的时变的活跃因子，受设计模型影响小，但是受控制器引导方向的影响巨大。

2 智能材料与4D打印技术结合

4D打印技术是3D打印和智能材料发展下的产物，智能材料的4D打印技术是一个重要的发展方向。这项技术是让3D打印出来的结构受到一定激励作用，使之能够发生结构或者功能的变化。这体现了一种结构的自组装性，多功能化和自我修复，它通过重新配置以适应环境的变化。在这其中，引入了一个时间维度，一系列变形行为随着时间推移逐步发生，比如折叠、弯曲、扭转等，甚至是表面形貌的形成，成型后再进一步研究它的性能，比如力学特性、摩擦学特性等传统研究方向。

再往更复杂的功能延伸，一些情况下需要材料的两种或者两种以上变形行为。例如，可以被电压和温度两种因素同时驱动的材料，甚至能同时表现出更多其他响应的材料。或者将对同种驱动条件做出响应的材料集成在一起制造，这样混合打印出的智能材料将表现出更加灵活的功能[5]。这些问题都是4D打印带来的智能行为的结合。另一个关键问题是智能材料可以对刺激作出回应，反映的响应速度如何。假设一些智能材料可以感觉到刺激，但是或许，在很长一段时间后，只反映出很小的响应，因此，智能材料的响应性能也需要进一步研究[6]。

智能材料的发展，不仅需要现有的理论来分析，更重要的是它需要区别传统材料的分析方法。它依赖于驱动条件，同时需要开发软件来设计动态结构，制造4D打印机来适应环境和打印需要，这只是其中一些方面。另外，完成这样智能的结构制造需要很强大的控制系统来监控，因为这项技术产生，初步成型时本身的结构不是那么重要，关键性问题是在编程控制下的变化，在设计时就嵌入几种造型，根据需要产生不同的变化，增强材料的利用率和适应性[7]。可以从中看出4D打印技术具有极大的灵活性和可变形性，可以作为3D打印技术的延伸，有可能实现3D打印技术无法成型的复杂结构。在其中嵌入感知与执行的部分，智能材料系统节省了制造过程设计和加工的难度，可环境变化实现自我形状的改变。4D打印技术的发展，特别要有智能材料系统的支持，还有计算机编程软件和4D打印专业设备。

总之，以智能材料系统为依托的4D打印技术，结合了人工智能领域的优势，它可以影响到多个领域，甚至产生重大的技术方面的变革，比如软体机器人、隐身技术、医疗器械、柔性电路等多个方向的应用。

3 结论与展望

本文介绍了智能材料的发展要素，均表现出与传统技术上的差异。智能材料的出现，可以解决传统材料单一的功能，对智能材料的研究表明材料科学最先进和前沿的研究方向。开拓了多学科交叉的新学科和高技术。同时简单介绍了与智能材料结合的4D打印技术，4D打印技术突破了3D打印技术结构上成型后不可变化的约束，将智能材料的优点变现得更充分。我们可以看出智能材料功能的强大以及和4D打印技术结合后，应用前景是十分可观的，可以为国防事业和民用设施的发展提供新动力。

[1]关铁梁.智能材料中光纤传感技术的研究进展[J].光通信技术，1995（1）：77-79.

[2]谢建宏，张为公，梁大开.智能材料结构的研究现状及未来发展[J].材料导报，2006，20（11）：6-9.

[3]王家海，宣力伟.形状记忆合金在驱动器上的应用研究[J].机电产品开发与创新，2006，19（4）：65-67.

[4]Jain S B，Kang P，Yun Y H，et al.Building smart materials based on carbon nanotubes[J].Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，2004（2）：187-203.

[5]陈花玲，罗斌，朱子才，等.4D打印：智能材料与结构增材制造技术的研究进展[J].西安交通大学学报，2018，52（2）：1-9.

[6]Momeni F，Seyed M M H N，Liu X，et al.A review of 4D printing[J].Materials&Design，2017（3）：27-29.

[7]耿云玲.4D打印现状及未来发展动向[J].国防科技，2016（3）：24-27.