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美國(guó)克萊姆森大學(xué)（Clemson University）正在開(kāi)展一項(xiàng)新的研究，該研究是在美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的資助下進(jìn)行的，未來(lái)我們的直升機(jī)、坦克和其他車(chē)輛，都可能通過(guò)所使用的“智能材料”來(lái)感知其自身的損傷。

機(jī)械工程副教授Oliver Myers介紹：他們的想法是將磁性敏感材料嵌入到智能材料的整個(gè)汽車(chē)中，使其作為傳感器；那么當(dāng)車(chē)身受到損傷時(shí)，它就會(huì)說(shuō)：“哎喲！我這里受傷了。”就像疼痛被傳遞給大腦一樣，損傷報(bào)告也會(huì)傳到電腦上，幫助判斷車(chē)輛是否還可以繼續(xù)行駛或應(yīng)該返回車(chē)庫(kù)。

“在這個(gè)領(lǐng)域，我們需要這種自我診斷能力，”Myers說(shuō)：“正如電影《星際迷航》中的中尉Data總是說(shuō)的那樣：‘我正在執(zhí)行指定的參數(shù)。’我們希望確保我們的平臺(tái)至少按照指定的參數(shù)執(zhí)行。”

Myers獲得了來(lái)自美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室對(duì)該項(xiàng)目的資助款項(xiàng)經(jīng)費(fèi)達(dá)993,492美元。

Asha Hall作為美國(guó)陸軍技術(shù)局的機(jī)械師部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)，也是該項(xiàng)目的首席研究員和材料預(yù)測(cè)和診斷團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)，他這樣說(shuō)道：“這項(xiàng)研究可能幫助軍隊(duì)節(jié)省旋翼機(jī)的維修成本；作為一項(xiàng)安全措施，軍隊(duì)往往會(huì)根據(jù)零件的使用時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)替換部分零件，不管這些零件是否受損。而嵌入式傳感器可以使部件在其正常狀態(tài)下保持更長(zhǎng)的使用時(shí)間。

“我們?cè)噲D延長(zhǎng)免維護(hù)的運(yùn)營(yíng)期，” Hall還說(shuō):“那么最大的影響就是減少軍隊(duì)的維持成本。”

這項(xiàng)研究建立在快速增長(zhǎng)的復(fù)合材料領(lǐng)域，這些材料被廣泛應(yīng)用于從汽車(chē)到飛機(jī)的各種產(chǎn)品。復(fù)合材料通常看起來(lái)和摸起來(lái)都比較像塑料，但比包括鋼在內(nèi)的金屬來(lái)得更輕和更堅(jiān)固。

該研究團(tuán)隊(duì)正在將多層復(fù)合材料之間夾入“磁致伸縮”材料，形成層壓層的結(jié)構(gòu)。磁致伸縮材料可以對(duì)磁場(chǎng)或應(yīng)力的變化作出反應(yīng)，使其能充當(dāng)感知損傷的神經(jīng)。Myers說(shuō)：“這樣復(fù)合層壓板就有效地成為了一種智能結(jié)構(gòu)，它能探測(cè)到的破壞類(lèi)型包括撞擊、破裂和異常負(fù)載。”

該團(tuán)隊(duì)所研究項(xiàng)目的獨(dú)特之處在于，在制造過(guò)程中，將能夠感知損傷的磁致伸縮材料嵌入到結(jié)構(gòu)本身中，而不是在結(jié)構(gòu)已經(jīng)建成后附加傳感器。Myers說(shuō)：“如果是附加這些外部傳感器，通常就意味著需要配套的額外設(shè)備。”

他說(shuō)，磁致伸縮材料不需要?jiǎng)恿︱?qū)動(dòng)，其重量輕，且可以在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。

Richard Figliola是機(jī)械工程部門(mén)的代理主席，他認(rèn)為Myers 很有資格領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究——“Myers博士在智能材料和智能結(jié)構(gòu)方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，從納米級(jí)到宏觀尺度的各種系統(tǒng)。他在很多期刊上發(fā)表過(guò)文章；并參加了很多相關(guān)的合作會(huì)議，正是在這些會(huì)議上他與該項(xiàng)目的一些合作者建立的關(guān)系。他的這個(gè)項(xiàng)目收到資助是當(dāng)之無(wú)愧的。”

Myers說(shuō)：“這項(xiàng)研究的靈感來(lái)自于他在巴爾的摩的馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系所做的研究”。當(dāng)時(shí)他是在梅爾霍夫獎(jiǎng)學(xué)金項(xiàng)目資助下在那邊進(jìn)行的學(xué)習(xí)研究。那時(shí)，他就開(kāi)始考慮將材料嵌入到復(fù)合結(jié)構(gòu)中，以觀察是否可以探測(cè)到損傷。

他說(shuō)：“他首先在小范圍內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)；覆蓋到一個(gè)完整的領(lǐng)域可能需要10~20年的時(shí)間。”但Myers 的目的依然是堅(jiān)持推動(dòng)這方面的研究。

Myers提出的核心問(wèn)題是，該團(tuán)隊(duì)如何利用嵌入的磁致伸縮材料創(chuàng)造出一種“靈敏的傳感操作”。他說(shuō)：“穩(wěn)健性意味著它是可觀測(cè)的、可重復(fù)的、可測(cè)量的和可持續(xù)性的。”

“我們希望這不僅是一個(gè)臺(tái)式實(shí)驗(yàn)，而是能把它放在更大的結(jié)構(gòu)和更大的系統(tǒng)中，一旦我們從臺(tái)式擴(kuò)展到一個(gè)全尺寸的系統(tǒng)，它的功能將發(fā)展成一種無(wú)損檢測(cè)或無(wú)損評(píng)價(jià)的健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，”他說(shuō)。

Anand Gramopadhye是工程、計(jì)算和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的院長(zhǎng)，他對(duì)Myers獲得這一資助也表示祝賀——“Myers所開(kāi)展的尖端而創(chuàng)新的研究，很可能會(huì)導(dǎo)致一些重大的發(fā)現(xiàn)，而這些發(fā)現(xiàn)將可能對(duì)軍隊(duì)的作戰(zhàn)能力和技術(shù)產(chǎn)生了重大影響。這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)資助的金額證明了他的努力、他的方法的創(chuàng)造性以及他在創(chuàng)造智能材料方面的領(lǐng)導(dǎo)能力。”