一、 问题概述

智能材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后出现的新材料，是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。它能自感知外界环境变化自处理信号并自适应调节，是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物。目标在于研制具有类似于生物各种功能的“活”材料，具有感知功能、驱动功能、反馈功能、控制功能、自修复和自学习等功能，实现材料结构产品功能化、功能多样化、人工智能化。人工智能，通过探究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。目前智能复合材料研究热点类型包括形状记忆聚合物及其复合材料、电活性聚合物、自修复材料、压电复合材料、自修复材料、4D打印智能材料等。如何实现智能材料与专注于研发的通用型人工智能技术及专注于人工智能技术应用的专用型人工智能技术深度融合，来实现智能材料及其结构的多功能一体化、实现智能制造，是目前急需突破的关键难点。

(1) 研发新型智能传感/驱动一体化材料及其器件

基于智能复合材料的独特性，结合应用需求，需要研发大变形传感及其器件、传感驱动一体化的新型智能材料与结构。智能复合材料及结构主要可以分为驱动元件和传感元件，由传感元件感知环境的变化，将信号传递给驱动元件，驱动元件在外部激励下使结构发生适应环境的自主性的变形，探索视觉、激光、雷达、触觉等外部传感器或类生物传感器的研制，研究智能传感材料多元环境下的感知原理及灵敏度等，对获取信息的抽象、统一和融合，研究智能传感器的信息获取及精确控制，例如人脸识别、指纹识别、虹膜识别等智能识别技术。探究智能驱动器的驱动机理、驱动方法及控制，结合人工智能的数据处理模式及方法，深度融合人工智能技术，突破人机协同的传感与驱动一体化模型、智能计算前移的新型传感器件核心技术，实现构建自主适应环境的混合增强智能系统、人机群组混合增强智能系统及支撑环境。

(2) 研究智能复合材料类似神经网络控制等智能系统控制的方法

智能控制的整套系统结构具有开放式、分级式以及分布式的特点，处理综合信息的能力非常强大。但是智能控制的终极目标却不是高级自动控制，而是优化系统的各个方面。智能控制的服务对象主要是一些非线性和不确定性的研究对象，研究智能复合材料控制系统，从信息输入的传感器到自主响应输出动作的驱动器，融合人工智能的神经网络控制系统，利用软件大数据分析技术，优化响应动作实现智能复合材料与结构的自适应自主调节，从而达到无人操作的目的，更深层次具备优化性能选择优化结果。研究类似人工智能神经网络系统功能的智能复合材料，实现自我学习、深度学习与强化学习，重点突破高能效、可重构类脑计算芯片和具有计算成像功能的类脑视觉传感器技术，研发具有自主学习能力的高效能类脑神经网络架构和硬件系统，实现具有多媒体感知信息理解和智能增长、常识推理能力的类脑智能系统。

(3) 研究智能复合材料-脑机接口技术

脑机接口系统的输入信号从头皮或脑皮层表面记录脑内神经元活动开始，主要通过电极来记录、放大、滤波以及数字化。正常情况下人的脑部活动极为复杂多变，所以对信号收集硬件的要求也会比较高；随后是信号处理环节，这一环节的关键在于特征提取，在信号数字化以后需要用一种或多种特征提取程序来得到信号的特征值，在得到信号的特征值以后，还需要经过处理和转译环节来将这些数据的信息转化为设备以反映用户的想法；最后，输出设备接收转译后的设备指令，作为系统最终展示的环节。基于仿生的智能复合材料，目前的传感/驱动技术只能达到类生物智能水平，人脑的信号接收及处理过程复杂，突破智能复合材料类脑机接口技术，将对智能制造及未来智能社会带来不可磨灭的积极影响。

(4) 研发具有自主学习、自处理、自适应调节等多功能智能材料及结构

基于传感/驱动一体化、神经网络智能控制与脑机接口的智能复合材料，研究智能材料使其具有类似人类的思维、学习、感知、响应、识别以及分析和判断能力，能够在周围环境中学习，并根据周围情况结合经验、预测等数据快速下达任务指令，根据环境变化自主调整，以应对多种复杂情况。将智能芯片微小化与智能复合材料融合4D打印，把智能复合材料作为实现器件和结构智能制造的基元，从材料到制造过程体现人工智能化。结合4D打印增材制造技术，将智能材料通过3D打印技术制备为智能结构，在外界刺激下实现复杂结构主动变形，克服传统智能材料制备方法难以制备复杂形状智能材料结构的缺点，达到制备任意复杂形状三维智能材料结构的水平，拓展制造技术应用范围，实现智能制造。

二、 重要意义

智能复合材料等先进复合材料是《中国制造2025》重点发展的新材料方向，是支撑和保障智能制造、智能社会、机器人、航空航天、轨道交通等领域高端装备用的关键核心材料，也是实施载人航天与探月工程、大飞机等国家重大专项和新一代国防尖端技术等重大战略需求的关键保障材料。深度融合人工智能技术，研究自感知、自驱动、自学习、自修复等多功能一体化的智能复合材料，为实现自主学习、深度计算、无人系统等人工智能体系技术夯实基础，最终实现人工智能在航空航天、医疗、汽车、金融、军民企业等方向上的应用。据统计2010年全球智能材料市场规模在196亿美元，2011年近220亿美元，2016年超过400亿美元。到2020年全球智能材料市场需求将达到650亿美元。智能复合材料的独特性能将引领智能制造发展的新方向，为未来构造、智能金融、智能交通运输业、智能服务业、智能医疗、智能建筑、家用智能机器人、智能工业体系等智能社会提供基础和保障。随着智能复合材料与人工智能技术的深度融合及进一步发展，朝着智能制造及智能社会的目标不断前进，将改变人类的生活方式，市场份额将大幅增加，在航空航天、土木、交通、新能源、柔性电子、生物医学、家居等领域具有广泛的应用前景，从生活各方面实现智能化，为未来智能社会带来巨大的经济效益和社会效益。