智慧材料建造的智慧城市

“智慧城市”被定义为：利用城市应用技术来提高居民福祉的同时减少城市化的弊端。自2014年以来，新加坡的城市已通过其“智慧国家计划”解决了信息技术对城市的挑战。该城市在开放平台上，可以使用共享能源数据、智能导航数据，甚至是公民参与决策的在线论坛数据。智慧城市的概念中体现了要求实时获取大量数据，大型智能设备网络必须在网络上平均分配通信的负担，以防止其中心的信息量超载负荷。通过开发多样的“智能材料”，现在无需集中信息资源数据即可感知、处理和响应环境情况信息，从而解决这一问题的挑战。

最近的一项市场分析预测了：构成物联网（IoT）的连接设备、传感器和执行器的数量到2021年将超过460亿，这主要是由于硬件成本降低至了每台设备仅1美元。测量应变、温度和湿度的廉价连接传感设备以及使用计算机视觉的间接传感能力的增强，可提供大量数据来量化建筑环境。以时间和空间的高分辨率进行连续监视基础结构的物理状态的能力，对可持续性和公平性产生有利影响。数据驱动的定量决策可以代替基于直觉的、传统的工作流程从而实现预测性维护。

《科学》报道了多功能材料可以响应外部刺激从而显著改变其形状或特性。这个概念导致了“生物材料”的使用，该生物材料将生物有机体作为感知和响应环境的高效化学机器。此类材料经过工程设计，可以在微观尺度上感应和调节其状态，从而实现宏观结构或功能的变化。智能材料或生物材料的常见功能是自我修复，以改善大型结构的使用寿命，以支持其可持续性。例如，细菌触发的自我修复代表了生活用胶材料中最普及的应用。科学家已经研究了极端嗜热菌和工程菌，使材料具有触发这些自我修复特性所需的自我感知能力。这些智能和生物材料用于结构健康监测的云计算的终端。借助低功耗传感和响应机制，可以检测、解释并作用于水泥中的化学梯度，而不会增加建筑环境中的通信和处理负担。这一点至关重要，因为在整个智能城市中进行电子感应和毫米级化学梯度的传输，以及大量的数据处理工作会导致数字数据处理系统的崩溃。

因为是小规模的信息，所以与整个城市街区的决策无关，因此将其限制在适当的水平上可以减少对利益相关者（如建筑经理和政府政策制定者）的负担。这种方法类似于人类神经系统通过控制结构的层次和构造，去协调数百万个细胞的收缩，而不是有意识地处理单个肌肉纤维。

智能材料可以在没有活性生物物质帮助的情况下处理数据。在材料基质中进行计算的一个例子是光子“超材料”（内部结构化材料），它可以解决复杂的数学方程式。这些设备利用衍射光学器件将材料的微观结构转化为无源的全光学。鉴于这些新型材料的设计和制造，下一代智能材料会以热、光学和机械响应作为感应，利用自动且智能立面或太阳能跟踪器，以提高、改进光伏能量收集的效率。如图所示：南丹麦大学的建筑物上的光和热传感器会调节百叶窗，以优化室内温度。

通过部署连接的传感器以提供对关键基础设施的实时结构状态的监控，例如桥梁、水坝、住宅和商业建筑，甚至是临时结构在内的大量的数据。智慧的材料会将数据处理推向无法想象的极限，实现可持续发展。最终增加基础设施的使用寿命、减少因电子传感器的扩散所浪费的资源以及减少通信所产生的功耗。此外，智慧基础设施有助于实现离散式云计算。

来源：Science 19 Mar 2021:

Vol. 371, Issue 6535, pp. 1200-1201