文/三采文化《人類大未來》
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。
早在遠古大自然就有智慧材料
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）。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。
沒有輪胎破掉、鏽蝕的腳踏車
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（halochromicmaterials）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。
讓路人、議員放心的路面與不怕摔的騎士
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。
▶️撰文者簡介：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。
