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文/安娜.普洛薩斯基;譯/謝孟宗、林瑞堂

想像一下,若你擁有的物品可以自主感知、回應、移動、調節、變形、修復,你的生活將會變成什麼光景?以上所述,在未來都會一一實現。不需要人為施加外力,不是利用機器人或電子技術,這些固態物品自會發揮功能。在光線、溫度、濕度和外力的刺激下,這些物品會相應改變顏色、外觀、磁性等特質。智慧材料牽涉的範圍極廣,在我們有生之年,一定可以看到智慧材料融入我們的生活,包括飾品配件、人形機器人的結構材料、可管控室內溫度的變色屋頂,乃至可以自行打開的烘豆罐頭。

智慧材料並不是全新玩意,事實上,大自然早在人類發現之前便孕育出會向著太陽移動的植物,以及下雨時會闔起的松果。綜觀人類歷史,智慧材料屢屢可見,例如早在四千五百年前,吉薩金字塔上便運用了有自動修補效果的灰漿。然而直到一八八○年,科學家才真正認識智慧材料的特性。法國物理學家皮耶.居禮(Pierre Curie)和雅克.居禮(Jacques Curie)兩兄弟發現,大理石中常見的石英結晶經壓縮會生成電壓;一年後,兩人又證明了這個現象可以反其道而行,將電壓施加於石英結晶可使其收縮,並稱之為「壓電效應」(piezoelectricity)1。一次大戰期間,能夠產生壓電效應的結晶首度用於聲納探測裝置,如今用途更為廣泛,諸如打火機、麥克風、時鐘、超音波造像設備都用得上。

居禮兄弟的科學突破讓材料學者、工程師和發明家都重新省思材料設計之道,進而發現了更多新型智慧材料。今日有數以百萬的專利發明都是因這些智慧材料而存在。廣義來說,智慧材料的功能分為六類:變色、感知、移動、溫度調節(加熱或冷卻)、自行修復、相變(結冰與融化)。智慧材料的應用並非僅見於科幻小說與實驗室內。我們平常就已經在使用若干智慧材料產品,像是會隨陽光增強而變暗的太陽眼鏡,還有倒入熱咖啡會變色的馬克杯。

有了智慧型單車,以後再也不必擔心路面坑坑洞洞、輪胎爆胎或車子刮傷掉漆。多虧能迅速調節體溫和防風擋雨的衣物,騎乘單車更是風雨無阻。要是沒注意到時間,天黑了還沒回到家,車輪壓過道路時會持續發亮。萬一不小心摔車了,破損的智慧型衣料可以沿路自動修補。

若想去遠方旅行,通常得搭飛機。未來的新型客機外型更像一隻飛鳥,可隨著氣流與氣壓變化外形,讓旅客享受更平穩舒適的飛航體驗。新飛機之所以能省油又迅速,全是智慧材料的功勞。以上種種令人興奮的描述,都來自未來智慧材料世界。

小小一輛腳踏車的智慧

現在的製造商刻意限縮產品壽命,逼使消費者反覆購買。像這樣有計畫地淘汰產品,甚至將產品設計得難以修復,都在鼓勵民眾不斷消費,養成用壞即丟的習慣。以腳踏車為例,雖然多數腳踏車都採通用設計,方便更換零件,不論哪個部分壞掉了,看起來都能夠徹底修復。但就算再怎麼愛惜腳踏車,騎久了也難免烤漆脫落、零件鏽蝕、輪胎破損,最後不得不淪落至垃圾場。幸好,智慧材料將解救腳踏車擺脫厄運。

具有自動修復效果的塗料含有球形微粒,一旦車體表面刮損,破裂的球形微粒會釋出樹脂修補劑,自動填滿刮痕。想讓輪胎也能自補破損,可在原料硫化橡膠下工夫,使其長分子鏈含帶電粒子(離子)。相鄰分子的電荷相反離子會彼此吸引,組成強離子鍵,使整體材料穩固耐用。就算分子因橡膠撕裂而兩相剝離,也會循電荷異性相吸的簡單原理自發重組離子鍵。現有的防爆胎在輪胎內層另塗有密封膠以防堵破洞,智慧型輪胎使用的則是可再三封起破口的單一成分。

把腳踏車停在戶外淋雨,外露的零件很快就會生鏽,使金屬表面趨於鹼性。加酸顯色材料(halochromic materials)會隨著環境的酸鹼值變化而改變顏色,就像石蕊試紙一樣。最常見的例子是酚酞,一種弱有機酸,遇到鹼性物質就會變成粉紅色。只要使用含有這類材料的塗漆,小至腳踏車零件,大至鐵道橋梁,有助於在造成嚴重損壞前有效地辨識並處理初期鏽蝕,防微杜漸。

美國太空總署在抗蝕塗料的研究上更進一步,開發出來的智慧型塗漆不僅讓腐蝕現形,還含有特殊微型膠囊,會在鹼性濃度上升時釋出油性抑制劑,防止鏽蝕惡化。這種自動防鏽技術將大大影響一國經濟。在英國,每年光是和蝕鏽有關的支出就高達六百億英鎊,占國內生產毛額的百分之三左右。

也許我們很快就會看到壓電材料應用在街燈、路標和交通號誌,其動力並非來自傳統電力,而是來自車輛行駛的街道本身。當今最常見的壓電材料是人造陶瓷「鋯鈦酸鉛」(Lead Zirconate Titanate, PZT),它在擠壓下會產生電壓,因為其原子排列成不對稱的晶體結構。大多數人對於晶體的印象都是亮閃閃的寶石,但在材料學者眼中,固態晶體的原子相連成行、井然有序,排列出重複的立體樣態。的確,寶石是晶體,金屬、陶瓷、冰塊、岩石和某些塑膠又何嘗不是由晶體組成。在大部分的晶體結構中,原子組合成對稱的重複單元,不管從後往前看,還是上下顛倒看,都是一模一樣。然而如前所述,壓電晶體的結構是不對稱的重複單元。一般來說,壓電晶體原子的電荷會正負相抵(亦即正電荷會被鄰近的負電荷抵銷)。但若擠壓或延展不對稱的重複單元則會造成原子移動,使得電荷無法相抵,於是這些重複單元的一側會帶著正電荷,另一側帶著負電荷。要是擠壓晶體內的上百萬個不對稱單元,就會生成足以測量的電壓,接上電路後就可以收集成有用的電力。把壓電晶體鋪排於柏油路面之下,車胎壓過去時就能使這些智慧材料發電。把電力儲存起來還可用於路燈照明。目前這類技術已進行過好幾項實驗,結果看來大有可期。我們甚至可以將相關技術應用在輪胎或鞋底,就能透過移動來發電。

未來,坑坑巴巴的馬路將成為過去式,單車和機車騎士也好,地方議員也好,都可以放心了。智慧水泥材料可以偵測破損,自行修補。當水泥路面裂開,內層觸及空氣濕度或雨水時,內嵌的智慧材料就會受到刺激,將破口補起來。例如有一種以黏土為基礎的添加劑,內含休眠細菌與乳酸鈣。冰箱裡放太久的陳年乳酪表面常會有一層白色結晶,那就是乳酸鈣。當休眠中的細菌遇水活化,開始消耗乳酸鈣,同時分泌石灰填補破洞,以免洞越破越大。這種添加了細菌的水泥可用於道路、橋梁等基礎建設,在地震頻繁的國家應該特別好用。

當天氣變冷了,單車騎士需要能隨時調節體溫的衣物,最好騎車時能通風,平常穿又能保暖。解決方法就是能夠記憶形狀,並且加熱變形的聚合物,包括橡膠、塑料和蛋白質等。形狀記憶聚合物在一開始製造時便會設定「記憶」形狀,然後透過加熱暫時改變形狀再予以冷卻。當溫度達到變形溫度時,聚合材料就會「恢復記憶」。這種智慧材料可以記住每次加熱、冷卻後的形狀。服裝製造商可為單車外套的鬆軟內襯添加形狀記憶聚合物,冷天時,內襯會如睡袋那般留住空氣;要是人在運動時體溫上升,便可相應收縮,加強透氣。

同理,可靈敏察覺濕度起伏的聚合物則會遇水變形,乾燥時很硬挺,泡水就變得柔軟鬆弛。以此聚合物製成的衣料具有對濕度非常敏感的微型鱗片,在無水狀態下,鱗片會與布料纖維呈直角,使衣料透氣,遇到降雨則鬆弛變平,與纖維相互疊加,形成難以穿透的不透水層。

我們都知道,人的皮膚受傷後會自行癒合。騎單車發生意外跌撞時,這種自癒機能特別派得上用場。多虧了可自動復原的智慧型衣料,我們穿的衣服未來也可以有樣學樣,被撕破後還能自動修復。這類布料纖維包含了一種極為特殊的蛋白質,既可取自烏賊觸腳吸盤周遭的「牙齒」,也可在實驗室中合成。這種蛋白質能使小型撕裂處兩側的布料形成新的化學鍵,只要加點水分按壓不到一分鐘,裂縫就能重新密合。摔了一跤的單車騎士還沒騎到終點,破掉的褲子早就自動補好了,比修補破碎的自尊心更快、更簡單。

未來的飛航機器

在腳踏車發明的五百多年前,達文西受到飛鳥啟發,設計了史上第一個飛行器。他的飛行器具有關節靈活的木造機翼,拍擊起來宛如鳥類或蝙蝠的雙翅。相比之下,現在飛機結構剛硬,沒有多少可以活動的部位。放眼未來,智慧材料將使我們擺脫眼下僵化的飛航設計,重新審視達文西的設計靈感,讓飛機性能變得更強大、更有彈性,感應更靈敏,更能適應瞬息萬變的天氣。

在飛行過程中,飛機必須要能承受來自各方的各種作用力,現有的傳統造型不一定是最理想的。未來的新型飛機機翼說不定可攤平或膨脹,讓通過機翼的升力最大化,並且可隨著不同的飛行階段折疊、伸展、起伏或貼近機身。像這樣依情況立即調整,減輕風阻,讓起飛距離縮短,駕駛員也得以更有效運用空氣動力,操控自如。另一方面,不僅可以縮短飛行時間,節省耗油,機上乘客也倍覺安穩。

要落實上述飛航科技,必須結合智慧材料的種種特性。機翼的移動部件將會用鎳鈦記憶合金一類材質製成,能在受熱及遇冷時轉變為不同的預設外形。輕盈的智慧變形材料也將成為要角,例如依電壓有無而縮放的電活性聚合物。作為製造飛機外殼的形狀記憶聚合物格外重要,既得十分堅韌,足以承受空氣動力,又得彈性十足、可伸可縮,以利機翼改變形狀。

上述許多的智慧材料還得兼備感測器,壓電性與電活性聚合物在承受外來壓力的同時可產生足供測量的電信號。光纖的折射率會隨溫度或外力而改變,將它們嵌入機體構造中,可使飛機既堅韌又輕盈,還能監控飛行時的損害、破裂及動態應變。智慧型材料的用途無所不包,可應用於各種地方,小至靈活的電子裝置,大至可警示工程師結構潛在缺陷的智慧型水泥建物。

利用量子穿隧複合物(quantum tunneling composites, QTC)作為材料,未來飛機很有可能具備與人類相當的觸控敏銳度。這類智慧材料一經擠壓,就會由絕緣體轉為電導體。材料本體柔軟而有彈性,內含微小的鎳粒子。由於材料本體為絕緣體,鎳粒子在惰性狀態下相隔甚遠,無從導電。不過受外力擠壓而活化後,鎳粒子彼此縮短距離,使電子穿透絕緣狀態,整體基質因此成為電導體。量子力學描述起電子位置,著眼的並非確切座標,而是位於特定所在的概率,當鎳粒子的電子靠近基質的絕緣屏障,貫穿屏障(而非反彈)的概率儘管極小,倒也不至於鐵定失敗。換言之,按量子力學的說法,只要試圖穿過絕緣體的電子夠多,便有機會抵達絕緣體外側。如上特異材料,現由美國太空總署用於生產可感應緊握物品程度的機器人,未來還可製造出適合截肢人士的嶄新觸控螢幕和靈敏義肢。

智慧材料的遺澤

本章所介紹的智慧材料都可在實驗室裡成功運作,然而要在日常生活中實現,仍得克服不少問題。在很多情況下,智慧材料的反應時間太常,質地不夠堅固,表現還不夠穩定。它的性能也會隨著時間而減弱,現階段要想在工作裝置加入智慧材料並非易事。研究人員經常難以掌握智慧材料受到刺激的轉變門檻,有些材料還內含毒性。此外,一如眾多新興科技,智慧材料要價驚人,昂貴的製造成本和難以取得的原料,在在阻礙了發展與推廣。

話說回來,我對智慧材料的前景倒是很樂觀。只要科學家研究不懈,各式各樣的難關都可以克服。如同網路改變了人們處理資訊的方法,智慧材料一定也會徹底改變我們與物質世界的互動。就字面來說,「物品」無知無感,任憑外界處置。從個別來看,智慧材料也不過只會一種把戲,隨著外在的刺激指令在「開始」與「結束」之間來回轉換狀態。

但是若能將各式智慧材料統合起來,就能打造一架可以生產及處存能源、感應自身狀態及周遭環境、自行組合並修復、適應各種環境,還能與同類交流的飛機。現在這個「物品」是不是聽起來彷彿有了生命?

於是智慧材料也引著人類去省思好些重大問題。智慧型產品是否一定會讓我們的生活變得更好?將簡單之物賦予許多複雜的新功能,固然能使生活更便利,卻也在生產、使用及回收上耗去更多寶貴能源與稀缺資源,如果是這樣的話,人類應該捨簡就繁嗎?相反地,就算智慧型產品可以減少消耗與浪費,也會產生另一個麻煩。具有自動修復機能的智慧材料延長了物品的壽命,卻也為製造業和商業帶來巨大挑戰。社會經濟體制將如何調適?使否只有富裕的社會菁英階級才享用得起智慧產品?要是人們過於依賴智慧材料來實現自動化生活,久而久之是否會失去了獨立思考與批判思考的能力?人造物品訴說著人類社會演化的進程。總有一天,眼下的尖端智慧材料都會成為博物館內的展覽品,成為後世子孫緬懷前人的憑藉。那麼,這一項項展覽品又將訴說怎樣的歷史故事?

我認為,智慧材料對於世界的影響利大於弊。例如製造未來飛機所需的材質也可用來製造智慧型義肢,使其具備感應及自動修復能力,還可以直接由大腦控制。衣物織品或各項基礎設施若能因應外界變化,讓氣候變遷的受災民眾可以減輕苦楚,那麼相關技術就值得我們繼續研究。人與物質的關係是非常私人而且複雜的,反映出當下時代的觀念和思想主流。我希望,等我們這一代的人離世之後,智慧型產品所呈現的人類演進可與材料本身相映成趣,在充滿變化與挑戰的環境中保持敏銳與韌性。

作者簡介:安娜.普洛薩斯基(Anna Ploszajski)

白天是工程師暨材料科學家,晚上則致力於科學傳播。她經常以材料科學為主題表演單口相聲,擁有自己的播客節目,並且在《材料世界》(Materials World)等期刊上撰寫文章。2017 年贏得英國皇家工程院傑出青年工程師獎(Young Engineer of the Year),並進入全球科學最具規模的科學傳播比賽FameLab 的英國區決賽。閒暇時喜歡吹小號,正在鍛練游泳,目標是游過英吉利海峽。

本文介紹:
人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》。本書總編選/吉姆.艾爾卡利里;譯者/謝孟宗、林瑞堂;出版社/三采

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