产业动态| 智能材料：开启材料界新革命

概念类别

智能材料（Intelligent material），又称“敏感材料”，由日本高木俊宜于1989年首次提出，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料。具体来说，智能材料是一种能够感知外部刺激，并对刺激进行分析、处理、判断，采取一定措施进行适度响应的新型功能材料。智能材料具有传感、反馈、信息识别与积累、响应四大功能，以及自诊断、自修复、自适应三大能力。智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一，其成功研制和大规模应用将加速推动生产生活各领域向高度智能化方向发展。

表：智能材料的四大功能与三大能力

按照智能材料自感知、自判断、自执行能力进行分类，可分为自感知（传感器）智能材料、自执行（驱动器）智能材料、自判断（信息处理器）智能材料3种类型。其中，自感知（传感器）智能材料能感知外界条件和刺激并有传感作用，但仅能感知无自动调节功能，如压电材料、光导纤维、电流变体、磁流变体等。自执行（驱动器）智能材料具有传感器与执行器的作用，不仅能感知外界环境的刺激，还能对刺激做出响应，并与特定的环境相协调，如形状记忆材料、光热致变色材料、相变材料等。自判断（信息处理器）智能材料又称适应型智能材料，是目前最先进的智能材料体系，除对外界环境刺激能感知和响应外，还能自动调节以适应外界环境的变化和刺激，最终实现自我调节、自我修复功能，如形状记忆智能材料等。

表：常见智能材料性质特性和应用

资料来源：BCC Research

市场规模

目前，全球智能材料产业正处于爆发式增长期。随着医疗、建筑、仪表仪器、自动化、机器人、航空航天、电磁电子设备、各类传感器、驱动器和显示器等领域对智能材料的需求不断增加，使得其市场规模呈现出爆发增长态势。据统计，2010年全球智能材料产业市场规模约为200亿美元，2018年大约为522亿美元。根据Grand View Research预计，到2025年全球智能材料市场规模将达到982亿美元，2010年至2025年复合年均增长率将达到11.19%，呈现出良好的发展势头。

图：全球智能材料市场规模（单位：亿美元）
数据来源：Grand View Research、长城战略咨询整理

行业格局

当前，日本、美国、欧洲等智能材料发展始终处于世界的前列。Smart Material、美国冶联科技、Johnson Matthey、富士陶瓷株式会社、株式会社村田制作所、新日本制铁公司、LORD、Edge Technologies、Feredyn AB、日本住友轻金属工业株式会社等公司，长期垄断全球智能材料前端技术的第一方阵。与国外先进水平相比，我国智能材料产业发展处于起步阶段，产业离大规模实用化、商品化尚有一段距离。一方面，国内智能材料主要零散分布于功能材料产业或结构材料产业之中，智能材料产业发展不足、市场影响力较弱。另一方面，国内智能材料领域缺乏具有行业影响力的龙头企业。目前，国内紫光股份、乐普医疗、有研硅股、先锋新材、安泰科技、时代新材、冠昊生物等上市公司虽然涉足智能材料领域，但都是以兼营为主，智能材料只占其较小的市场份额，龙头企业影响力和引领作用不明显。

应用场景

智能材料应用范围较为广泛，主要应用于电机、驱动器、传感器、功能材料、探头等，并由此最终实现在航空航天、汽车工程、医疗器械、机械工程、消费终端等领域的应用。其中，智能材料应用于电机和驱动器市场中占比高达71%、传感器占比达15.8%、结构材料占比为7.8%、探头的市场占比达5.2%。

图：智能材料应用领域

智能材料+智能机器人

传感器是智能机器人智能化的重要支撑，智能材料的发展使得传感器具备自诊断、记忆与信息处理、数据存贮、多参量测量、联网通信、逻辑思维以及判断等功能，推动机器人朝微型化、多功能化、智能化等方向发展。其中，形状记忆合金、压电材料等智能材料，在智能机器人的传感器中应用广泛。形状记忆合金制作的热机械动作元件具有体积小巧、结构简单、控制方便、成本低廉等优点，被广泛应用到机器人手足、触觉传感器、机器人元件控制器及筋骨动作控制等核心部件中。压电材料的“压电效应”可以将压力转换成电信号，使得机器人产生触觉。例如，人造皮肤智能材料可清晰地分辨出外部环境（如温度、热流等）的细微变化，亦可很好地区分出表面状况（如粗糙度、摩擦力等）的不同。

图：人造皮肤在机器人中的应用

慕尼黑工业大学(TUM)的Gordon Cheng教授及其团队开发了一种将人造皮肤与控制算法结合在一起的系统，并用它创建了第一台具有全身人造皮肤的自主人形机器人。机器人的上身、手臂、腿部、脚底装有13000多个传感器和微处理器，每块大小约为2欧元硬币(即直径约1英寸)，可检测接触时的加速度和温度等，使机器人能够像人一样感觉到身体接触，并对接触做出反应

智能材料+纺织服装

智能材料为智能纺织服装的开发奠定了良好基础。智能纺织服装将高技术传感器（或敏感元件）与传统结构材料（或功能材料）结合，可感知环境变化并做出相应的调整。近年来，智能调温纺织材料、智能形状记忆纺织材料、智能变色纺织材料、电子信息智能纺织材料等系列智能纺织材料的研发与应用，使得智能调温、形状记忆、智能变色、电子信息等智能纺织服装从理论走向现实。例如，Hexoskin推出的智能T恤配备蓝牙装置，可以实时追踪用户的运动量，并将记录的原始数据发送到手机APP进行分析。其中，白天可以监测心率及其变化、用户行走的步数、消耗的卡路里情况以及呼吸数据；晚上可以检测用户睡眠环境，包括睡眠质量、睡姿、呼吸、心跳活动。

图：Hexoskin智能T恤

智能材料+汽车制造

智能材料在汽车领域的应用已取得大量的成果。例如，形状记忆合金用于进行电池管理、发动机温度控制、车门解锁、结构健康监测等；磁流变材料用于汽车减振器、碰撞吸能保护器件、发动机悬置等。其中，采用多种智能材料打造的结构健康监测（SHM）可在线探测结构损伤和老化信息，对结构进行评估、故障诊断和剩余寿命预测，有助于提高结构或设备的安全可靠性、降低维护成本、延长使用寿命。随着汽车设计越来越强调安全、智能、轻质化发展，结构健康监测系统是未来汽车发展的重要方向。例如，德国宝马汽车公司在某新型复合材料车身的研发阶段，将压电材料埋入复合材料结构中，用于监测其结构在制造和使用过程中的损伤。

未来趋势

一是智能程度更高。目前，智能材料主要集中于压电材料、形状记忆合金、智能流体材料等领域。随着智能材料研发和产业化的不断深入，将研发出更多类型的智能材料，也将推动现有智能化程度不高的材料不断得到改进、提升、升级，由此形成功能更齐全、智能化程度更高、种类更丰富的智能材料。

二是应用领域更广。目前，智能材料主要应用于航天航空、机器人、工业生产等领域，而未来将在智健康医疗、4D打印、建筑结构等领域应用更加广泛，遍及生产生活各个方面。以智能建筑为例，使用智能材料能够感知建筑外力、震动、温度、裂纹等变化，并提前预报、自适应调整、自修复补救等，减少和规避危险发生。

三是交叉融合更强。目前，部分智能材料的应用仅从单个材料的智能特性进行开发，使得智能材料的应用范围受到限制。未来智能材料与其他学科交叉融合将会更强，将涉及材料、机械、力学、信号识别、自动控制、电磁学、计算机技术等多个领域，由此开发出集成度更高、功能更齐全、使用更便捷的智能系统部件，使得智能材料应用范围不断拓展。