這些材料實在是過於聰明 - 彭博社

“智能”材料在材料科學家中非常流行。研究人員夢想着能夠自我檢查並在需要維修時發出警告的橋樑，以及能夠根據速度變化或戰鬥損傷而改變形狀的飛機機翼。

現在，空軍和一小羣研究人員正在為這一新興領域增添一個新維度：智能加工。從某種意義上説，這將使材料在成為橋樑或機翼之前變得聰明：它們甚至會幫助自己形成產品。

基本的想法是確定在温度、壓力和時間等因素中，哪些關鍵變量對製造高質量零件至關重要。前空軍懷特實驗室製造研究技術主任、現為民間顧問的史蒂文·R·勒克萊爾表示，目標是建立一個過程的“行為網絡”。這些數據可以被編碼在一個所謂的專家系統中，該系統將自主控制生產。如果過程的參數可以減少到最低限度，那麼一台小型計算機就可以即時管理生產。

到目前為止，大部分工作都是針對需要在模具或烤箱中進行高温加工的塑料和複合材料進行的，儘管定性過程自動化（QPA）也可以應用於金屬零件。空軍在1986年啓動了其QPA項目，旨在降低用於A-10攻擊機機翼前緣的石墨增強環氧複合材料的成本，這種飛機在伊拉克被用於打擊坦克。這些U形機翼部分中最大的長6英尺，寬16英寸。為了確保零件堅固可靠，它們被烘烤了七個小時。勒克萊爾認為這時間過長，主要是因為生產工程師沒有時間或金錢去嘗試所有可能的替代方案。即使是處理多個因素的計算機模擬，每個因素隨時間變化，也很快會陷入計算的泥潭。此外，工廠工程決策必須依賴間接數據：例如，烤箱內部的温度。但這僅僅表明施加在零件上的熱量，而不是複合材料的反應及其硬度。

直接監測材料在加工過程中的屬性通常是不可能的，LeClair説，因為“我們沒有合適的傳感器。”因此，研究人員必須依賴於測量某些東西的傳感器，從中進行推斷。例如，為了評估硬度，超微型介電傳感器被嵌入複合材料中，因為材料的電阻在固化時會發生變化。細線將傳感器讀數傳送到計算機，研究人員所學到的知識帶來了巨大的回報：一個智能控制程序將A-10機翼部分的固化週期縮短了超過75%。位於聖地亞哥的通用動力公司Convair部門現在可以在100分鐘內製造這些部件。

項目CURE。由於加工時間在幾乎所有制造中都是一項重大成本，其他公司也開始關注。固特異輪胎和橡膠公司啓動了一個名為項目Cure的智能輪胎項目，可能涉及在橡膠中嵌入光纖傳感器。固特異希望將固化成本降低5%到10%：“我們會為這種節省而感到興奮，”固特異過程研究實驗室應用數學負責人羅伯特·本尼迪克特説。赫克勒斯公司是幾家複合材料製造商之一，已經關注到這一概念。杜邦公司的科學家們開發了一種“秤”，可以感知每平方釐米十億分之一克——這為監測幾原子厚的薄膜沉積提供了可能。

卡內基梅隆大學已經證明QPA方法也適用於金屬部件。卡內基梅隆的空軍資助在完成自主機牀的工作之前就耗盡了，但研究人員確實開發了程序，使配備視頻攝像頭“眼睛”和機器人手的銑牀能夠更換自己的切削工具——並在製造一個部件和另一個部件之間切換。

對於空軍來説，下一步是將智能表皮的研究與智能處理相結合。“QPA人員和智能表皮人員都必須在部件中嵌入傳感器，”位於薩克拉門託的空軍物流中心的材料工程師理查德·B·沃諾克説。“如果我們能就一個能夠滿足我們雙方需求的傳感器達成一致，我們就可以開始考慮一個從搖籃到墳墓的結構監測系統。”