院士报告厅｜冷劲松：未来的智慧材料将有自生长、自适应、自我复制潜能

“材料是产业发展的基石，未来新一代材料的发展方向将迈向‘智慧材料’，它是在智能材料能感知、变形、修复的基础上结合AI和类生命特性，不仅能响应环境刺激，更能像生命体一样，具备自生长、自适应、自我复制的潜能。” 近日，中国科学院院士冷劲松在科技创新院士报告厅第16期的演讲中表示。

活动由深圳创新发展研究院、中关村产业转型升级研究院、深圳企联等机构共同主办。

以下内容根据冷劲松院士演讲记录整理，经演讲人审订。

中国科学院院士冷劲松发表演讲。

材料是物质的基础，也是日常生活中不可或缺的部分。从早期的石头，到后面的铜、铁等，可以说，材料是人类进步的物质先导，一代材料决定了一代装备、一代结构。无论是我们穿的衣服、使用的手机还是各类机械设备，都离不开材料作为基础支撑。材料种类很多，例如金属材料，无机材料；高分子材料，还有复合材料，复合的材料是两种以上的材料复合到一起就叫复合材料。

“具有生命的”材料——智能材料

1989年，日本科学家高木俊宜首次提出了智能材料的概念，认为智能材料是能够感知环境变化，并通过自我判断和结论而实现指令和执行功能的新材料。《智能材料系统和结构》中也指出：智能材料是一种能够感知外界环境的变化并且能够主动响应的材料。一个理想的智能材料系统，通常包括相当于“神经”的传感器用于感知，相当于“大脑”的信息处理器用于判断，以及相当于“肌肉”的驱动器用于执行动作。下面介绍几种典型的智能材料及其应用：

（一）智能陶瓷材料

压电材料的特点是压电材料在力的作用下材料表面会产生电场强度变化，反之，在电场作用下材料会产生力。施加电场可使其产生形变或位移，从而作为驱动器；反之，对其进行挤压或形变，又能输出电信号，实现传感器功能。实际上压电材料用作传感器的例子非常多，日常生活中很多都用压电纤维、压电材料做传感器。

（二）智能金属材料

形状记忆合金，在加热后能恢复其变形前的原始形状，可应用于航空航天、生物医学等领域。最典型的例子就是做心血管支架。当心梗或是脑梗患者送到医院急救的时候，医生用导管把由形状记忆合金制成的细丝导入阻塞血管，通过加热展开，把狭窄或者堵塞的血管撑开，恢复血液流通。

还有一种是磁致伸缩材料，可以在外界磁场作用下可以改变形状或尺寸，包括磁致伸缩合金、铁氧体材料、稀土材料等。

（三）智能高分子材料

智能流变体（如电流变液、磁流变液）能够在外界刺激作用下改变自身物理特性。瞬间从液态转变为类固态，撤去场后又可迅速恢复液态，被广泛应用于减震器的应用中。

电致活性聚合物——介电弹性体，介电弹性体是电致活性聚合物中的一种，在外界电场的激励下，产生尺寸或者形状的变化。

形状记忆聚合物材料是一种典型的智能材料，既能发生形状变化，又能调节自身软硬度。这种“软硬可变”且能记忆原始形状的特性，在众多领域都展现出应用潜力。

智能材料的研究进展与应用

在航天领域，传统刚性太阳能电池发电成本较高，而且难以进行柔性卷曲和展开，而基于智能材料的柔性太阳能电池具有变形大、柔性高、质量轻等特性。今年9月份，我们团队自主研制的“智新一号”卫星成功发射，配套研发的卷曲太阳翼、折叠太阳翼等核心产品同步入轨应用，实现了智能复合材料卷绕式柔性太阳翼在国际上的首次在轨商业应用。

4D打印技术，3D打印概念大家都知道，它是基于数字模型的增材制造工艺，能够直接制造出复杂结构。4D打印是将“时间维度”引入3D打印的结构中，打印完成后的物体能够随着时间的推移，在外界条件触发下自主发生变化。

4D打印技术-生物医疗领域应用——4D打印血管支架，传统血管支架都是金属，但金属支架无法降解，存在再次形成血栓的风险。与市面常见的静态3D打印材料不同，我们自主研发的4D打印线材具备可控变形能力，并已实现批量化生产，正在进行市场推广。基于这种4D打印线材制造的血管支架，在植入后可通过磁场展开，为血管提供精准支撑。该支架可逐步降解，避免长期留存体内。此外，4D打印骨组织支架、心脏封堵器、气管支架等均可个性化定制，能精准匹配患病部位的形态与尺寸，植入后，通过外加激励使支架主动变形并展开，待愈合后，支架将逐渐降解被人体吸收，避免了长期留存带来的隐患。除了上述可植入支架外，我们还研发了体外矫形器具，脊柱侧弯矫形器、肘外翻矫形装置等，均具有良好的治疗效果。

在智能制造领域，模具是不可或缺的基础工艺装备。从华为手机外壳到新能源汽车的碳纤维气瓶，都离不开模具的成型作用。以气瓶结构为例，传统制造过程是使用石膏、可熔沙或分片金属作为芯模，成型后通过破碎、熔化或拆卸等方式取出，过程繁琐且模具无法重复使用。而智能可变形模具，基于形状记忆聚合物材料可变刚度、快速脱模、可重复使用，特别适合飞机进气道等复杂结构的制造。我们研发的这种智能模具已经从实验室阶段进入产业化阶段。

在石油领域，面临这样的难题：如果几百米深的井下管道发生了渗漏该怎么修复？可利用智能复合材料补贴管来修复地下破损输油管道，在管道植入时保持较小的直径，顺利抵达泄漏位置后，通过井下加热主动展开，紧密贴合在原有管道内壁上。在展开后会迅速变硬，形成坚固的支撑结构，足以承受地下油压的长期考验。

在航空领域，在飞行器的设计上，可变形能力正成为新一代飞行器的关键技术。鸟类在高速飞行时会把翅膀收回来以减少阻力，这个原理同样适用于飞行器，洛克希德马丁公司早在20年前就提出翼变体飞行器概念：可变形飞行器既提升了机动性，又优化了气动效率。基于传统材料和结构的刚性变体飞行器具有质量大、机构复杂、维修费用高等问题，限制了其发展。如今，我们正通过智能材料实现更轻盈、可靠的变形方式。事实上，变形技术已在现有航空领域初步应用。例如客机的翼尖小翼，向上弯折可降低阻力、节省燃油，展开则能增加升力。

在柔性机器人领域，智能柔性机器人和传统刚性机器人相比，优势在于成本较低。传统机械手往往需要较多的电机，成本较高。而柔性机器人是气动肌肉智能材料的，通过材料自身的形变和气压控制就能实现抓取、弯曲等复杂动作，在维持功能的同时显著降低了制造成本。基于智能材料柔性机器人可实现爬行、滚动、蠕动等多模态运动。软体机器人凭借其柔顺的特性，能够实现轻柔而可靠的抓取。例如像西红柿、猴头菇这类易损农产品的摘取。另外，也有通过静电吸附力抓取的软体机器人，通过通电产生静电吸附力，断电则自动释放。这种机器人适用于搬运手机芯片等精密元件，几乎不产生形变，更加安全可靠。

在结构健康监测领域，基于光纤光栅传感器、光纤声发射传感器、压电传感器等新型智能传感器，面向大型船舶、风电叶片、碳纤维地铁车厢、压力容器等结构进行服役状态实时监测，评价其长期在复杂载荷作用下的安全状况，对危险状态提前预警。例如风力叶片等设备常年都在山上运行，面临损坏、结冰等风险，通过植入传感器就可以对叶片进行实时监测，及时发现问题。

在智能家居领域，例如可变形手机支架，在热水或吹风机加热下，会自动展开形成支架，牢固支撑手机。可以集成于手机背面，需要时随时激活，比传统机械支架更简洁方便。可重复使用的盲文纸，传统盲文纸打点后无法重复利用。而用智能材料做的盲文纸，在打点后只需简单加热即可恢复平整，可以再重复使用。

在智能玩具领域，智能可变形玩具为传统玩具带来了全新的互动体验，比如可变形桥梁，平时可以像轮子一样在地上滚动，但只需简单加热，它就会自动变形，展开成一座精巧的桥梁。

在智能光学领域，目前手机镜头是通过光学调节实现聚焦，专业摄影相机是通过机械结构移动镜头来实现对焦的。虽然单反机械对焦精度高，但是伸缩结构的镜头不适合手机这类轻薄设备。智能可调透镜可以通过改变透镜内部材料的折射率来实现。当透镜材料的折射率发生微小变化时，焦距便会相应改变，从而完成对焦过程，实现手机等电子产品的智能主动控制变焦。

在灾害防护领域，针对洪水灾害，基于智能材料的防护板进行收卷，铺设在地面上，洪水来临时展开并硬化，可有效阻挡水流。利用智能材料的形变特性，可在短时间内实现闸口的自主可控开合。

在应急救援领域，以帐篷为例，普通传统帐篷由于支撑杆太软无法抵御强风，基于智能材料的支撑梁，展开后能自动硬化具有承载能力，还可以耐寒耐风。利用智能材料“软硬可变”的特性，使帐篷既便于运输存储，又能在使用时提供坚固可靠的防护保障。

在智能防伪领域，基于热响应智能材料的创新防伪方案可适合药品、酒类的防伪，例如智能瓶塞，正常情况下瓶口是封住的，只有通过打火机加热瓶塞，才能倒出，这是物理防伪。另外，将来包装上的二维码，可以设计成“半隐藏”状态，常温下无法完整扫描；经加热后，隐藏部分显现，才能成功读取验证信息。

智能材料展现广泛应用前景

材料是产业发展的基石，智能材料以其独特优势为电子、信息、海洋、汽车等多个领域注入新动能。当前，人工智能技术备受瞩目，与材料科学的深入融合正不断拓展应用边界。例如，在复合材料领域，人工智能赋能高效设计，不仅优化了传统材料的性能与功能，更推动了新型复合材料与智能材料创新研发。在医疗诊断领域，人工智能可赋能超声CT技术，通过对超声CT图像进行智能算法处理，原本模糊的影像得以清晰反演与重构，显著提升了早期诊断的准确性与可靠性。

“人工智能技术与新型智能复合材料的深度融合及其未来对智能社会的影响”被列入中国科协发布60个“硬骨头”重大科学问题和重大工程技术难题之一。人工智能与材料结合，不仅能设计材料，亦能实现对材料的控制，从而为智能社会的构建奠定坚实的物质基础与引擎。

从智能到智慧：智能材料如何实现自主决策

未来新一代材料的发展方向将迈向“智慧材料”，它是在智能材料能感知、变形、修复的基础上结合AI和类生命特性，不仅能响应环境刺激，更能像生命体一样，具备自生长、自适应、自我复制的潜能。从“智能”到“智慧”，标志着材料从被动执行转向主动决策的能力跃迁，随着AI与生物、材料等技术的交叉突破。

材料科学的发展，还需要多学科交叉融合与协同创新，将材料学、力学、化学、计算机科学、机械工程等领域前沿研究紧密结合，综合交叉至关重要。面向未来，需携手构建产学研用深度融合的创新生态体系，共同培育支撑未来战略性新兴产业，开辟发展新领域、塑造竞争新格局。

（整理人：林美丹。本期活动还邀请到了深圳市电子学会、深圳市人工智能行业协会、深圳市新材料行业协会、深圳市大数据产业协会、深圳市微波通信技术应用行业协会等机构联合举办，新联会科技联盟分会协办）

来源：冷劲松