當鋼鐵人、蜘蛛人戰衣像T恤一樣量產販售……不要懷疑,這就是智慧材料創造的未來!

2018.12.10 by
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一個普通高中生穿上「蜘蛛裝」這件超威戰衣,能隱形、一秒更衣、自動伸縮還裝有追蹤器,搖身一變成為正義化身蜘蛛人。這是很多男孩們所渴望的夢想,也的確是智慧材料可達到的境界。

本文摘自《人類大未來》,三采文化出版

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。

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。

未來飛機——機身可隨飛行過程折疊、伸展

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。

未來省思——智慧產品一定讓生活更美好?

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。

未來想像——當科技產物成為博物館展品?

社會經濟體制將如何調適?是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。

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