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习近平总书记指出，“整合科技创新资源，引领发展战略性新兴产业和未来产业，加快形成新质生产力”。纵观人类文明发展史，材料科学的每一次重大突破都推动了社会生产力的跨越式发展。新材料是支撑战略性新兴产业发展和重大工程建设的重要物质基础。传统材料往往功能单一，主要满足承载等基础性能需求。随着人工智能与材料科学的深度融合，现代新材料已超越传统物质实体的范畴，实现从“主动响应”到“自主决策”的范式变革，呈现出复合化、多功能化、智能化、智慧化的显著特征，有望在航天航空、生物医疗和机器人等领域催生颠覆性创新成果，推动新质生产力快速发展。
智能材料与智能结构：感知与响应的革新
《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》在第五章“前沿技术”中指出，“智能材料与智能结构是集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能结构系统”。“十三五”规划纲要强调，大力推进智能材料等12个新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。与传统“静的”材料不同，智能材料(SmartMaterials)是一类能够“动的”材料，主要包括形状记忆聚合物及其复合材料、电致活性聚合物及其复合材料、形状记忆合金、压电材料及电/磁流变材料等。智能材料具备主动可控变形、变性能和变功能等特点，可为航天航空、生物医疗、增材制造和柔性电子等领域带来变革性和颠覆性的创新。
基于智能材料构建的智能结构与系统能够适应外界环境变化，实现性能优化，革新了高端装备领域的设计理念。在航天领域，空间展开智能结构相较传统展开机构，具有简单可靠、轻质、低冲击等优势，为载人航天、深空探测等重大航天工程的实施提供了支撑。例如，与传统刚性太阳能电池相比，基于智能材料结构的柔性太阳能电池具有高比功率、高收纳比、高可靠性、低成本等优势，可广泛应用于商业航天卫星等领域。在航空领域，基于智能结构的变体飞行器可以根据不同的飞行条件改变气动构型，达到综合性能最优，是跨域飞行器、大飞机、超声速客机、天地往返空天飞机等先进飞行器发展的必由之路。例如，与传统客机相比，光滑连续变体客机可以提高升阻比，节省燃油8%—12%，降低噪声40%左右，具有巨大的经济效益和社会效益。在生物医疗领域，采用智能材料增材制造的4D打印可植入医疗器件，具有个性化定制、微创植入、远程驱动及可控降解等优势，为组织再生和精准医疗提供了突破性的解决方案。
智慧材料与智慧结构：类生命体的演进
在智能材料的基础上，我国首次提出了“智慧材料(WiseMateri-als)”的概念。通过对智能材料进行人工智能训练和学习，智慧材料能够实现“类生命”自主决策与响应，具有强生存、强适应、强自主、自生长等特性。例如，当感知到温度、湿度或光照变化时，智慧材料内部“分子开关”被激活，分子基团能在特定刺激下重构交联网络，实现类似生物组织的持续性生长。智慧材料能够感知外部环境并提取有效信息，通过建立深度学习模型进行理解和判断，从而自主作出相应的决策和行动。基于智慧材料的智慧结构与系统，将赋予高端装备“环境感知、自主决策、自主执行任务”三位一体的能力，将彻底颠覆未来高端装备的设计理念，将引领航天航空、生物医疗和机器人等领域迈入智慧化新时代。
材料与结构从智能到智慧的发展
材料与结构的智能化发展。20世纪80年代，我国开始研究光纤传感器、形状记忆合金、形状记忆聚合物和压电陶瓷等智能材料技术。随着国家政策支持和应用需求的增加，智能材料与结构的自主创新成果持续涌现。以哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、浙江大学等为代表的科研机构，在智能材料研究方面取得重大进展，并在智能结构设计及其在航天航空等领域的工程应用上实现系列突破，多项原创成果达到国际领先水平。北京航空航天大学设计研发的宽温域超弹性形状记忆合金器件已应用于嫦娥五号、嫦娥六号等国家重大型号任务。南京航空航天大学将压电陶瓷传感器应用于大尺寸复杂飞机结构的健康监测和寿命预测。浙江大学首次实现了自带能源的软体机器人在深海里自主游动。哈尔滨工业大学将基于光纤传感器的结构健康监测技术广泛应用于桥梁结构、船舶结构、风电叶片等先进结构，保障了其运行安全;研制的智能国旗展开结构应用于我国“天问一号”火星探测器，成功实现了中国国旗的可控动态展开，在火星上打上“中国标识”，为建党100周年献礼，使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物智能结构应用于深空探测工程的国家。2020年，哈尔滨工业大学获教育部批准建设全国首个智能材料与结构新工科本科专业，此后，智能材料与结构系统学会和智能材料产业技术创新联盟也相继成立。上述历程充分彰显了我国在该领域从技术跟跑、并跑到局部领跑的跨越式发展。
材料与结构的智慧化演进。当前，我国正推动智能材料与结构向更智慧的下一代体系迈进。智慧材料与结构能够如生命体般动态适应复杂多变的外部环境，并进行自主决策与执行，实现物质、信息和生命的高度融合，将带来战略性、引领性和颠覆性的变革。我们设想：在航天领域，基于智慧结构的航天器能够适应极高温、极低温、强辐射等极端环境，融合原位资源利用技术，为月球/火星建筑提供自展开、自密封、自防护和自修复等强生存能力，建立长期宜居的月球/火星城市;在航空领域，基于智慧结构的变体飞行器可以根据不同飞行任务和环境实时动态调整飞行策略，实现像鸟一样的类生命“感知—反馈—执行”的复杂行为，极大提升飞行效率，具备强适应能力;在生物医疗领域，基于智慧结构的新一代医疗器械，结合人体微环境响应机制，具备自诊断、自生长和自降解的类生命特性，构建诊断—治疗—监测的智慧医疗新生态;在人形机器人领域，智慧结构与脑机互联技术深度融合，将赋予机器人自主学习、自然交互和人机协作等强自主能力，细腻呈现姿态、动作、面部表情、眼神交流等人体行为，构筑人机共融的智能社会。
习近平总书记指出，“必须坚持守正创新。我们从事的是前无古人的伟大事业，守正才能不迷失方向、不犯颠覆性错误，创新才能把握时代、引领时代”。一代材料，一代结构，一代装备。材料与结构从智能到智慧的创新发展，是科学与技术不断突破边界的探索历程。材料作为装备的物质基础，首要突破材料的智慧化，进而实现结构的智慧化，最终推动装备的智慧化。在材料与结构从“主动响应”到“自主决策”的范式变革中，我国既是原创技术的策源地，也是全球最大的应用场景试验场。面向未来，我们需要以前瞻性战略布局为引领，加强跨学科复合型人才培养，重点突破原创性基础研究瓶颈，打破多学科技术交叉融合壁垒，深化国际科技创新合作，通过“技术突破—场景反哺”双向赋能，构建“智慧材料+”全球标杆体系，推进产学研合作，为航天航空、生物医疗、人形机器人、新能源、智能制造、舰船、汽车和人工智能等领域的未来高端装备提供关键物质基础，服务未来产业，服务未来社会，为实现中华民族伟大复兴贡献力量。
(作者系中国科学院院士、哈尔滨工业大学未来技术学院院长)
责任编辑：姜晓磊
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