一、坏事变成好事——从追求材料性能的稳定到利用材料性能的变化
材料是人类文明进步的重要标志之一，材料的每一次进步都会带来人类生活水平的一次质的飞跃，材料科学与技术的进步和发展往往会成为生产力发展的标志，甚至成为一个历史时期的里程碑。进入20世纪之后，各种新材料的产生更是日新月异，越来越受到研究者的重视。从常被人提起的半导体材料、精细陶瓷材料、超导材料、具有特异性能的纳米材料、敏感材料直至近年来出现的一种有“感觉”和“知觉”的仿生智能材料。
通常来说，人们在选择和使用一种材料或用其制作器件的时候，往往期望它的性能稳定不随外界环境的改变而变化。小到一台收音机，比如构成收音机调谐回路的电阻器、电容器或电感线圈的值会随着环境温度、湿度等条件变化而变化，那么就会导致谐振频率的漂移而无法准确收听节目，这是使用者最烦心的事；大到导弹、卫星的发射，由于它在宇空飞行中温度、加速度、气压、辐射强度等条件都会发生激烈的变化，使用环境极为苛刻，这便要求其中的任何一个元器件，乃至任何一种材料的技术参数，都必须保证能精确地控制在某个允许的范围之内，对于性能的稳定性和可靠性有着极其严格的要求，否则将会造成不堪设想的后果，甚至惨重的损失。所以在产品的制作过程中，性能参数的精度和环境试验至关重要，也更为用户关注。
然而参数的绝对精确不变总是不可能做到的，就在人们想方设法精心控制产品精确度的同时，事情往往又会向着它的对立面发展。即人们在其长期的生产实践中，恰恰正是从这种参数不稳定的“坏事”中，得到了非常有益的启示，并巧妙地利用这种不稳定因素发挥重要作用，最终还形成了一个举足轻重的技术领域。比如，当人们发现温度或湿度改变会引起材料的电阻值或电容量（由于介电系数e值改变）变化时，便产生了一种逆向思维，进而反过来恰当利用这些参数的变化规律来测定温度、湿度等信息。这时，由于矛盾对立的双方发生了逆向变异，反而期望这种不稳定性越大、越严重越好。我们把这种随着外界条件有规律变化的材料称为“敏感材料”（Sensitive Material），通常这些环境的变化包括物理的、化学的和生物的自然信息。随着电子和信息技术的发展，这些引起人们兴趣的“自然信息”首先通过敏感材料，被采集并转换成为“电信息”，然后进行放大、处理和加工，最后再被应用。
广义地说，敏感材料是一种能把物理量、化学量或生物量转变成便于利用的电信号的材料。人们通常将它的敏感功能与人类五大感觉器官相比拟：即光敏材料具有视觉功能，声敏材料具有听觉功能，气敏材料具有嗅觉功能，化学敏材料具有味觉功能，压敏、力敏、热敏材料等具有触觉功能。甚至某些敏感材料更超出了人体器官的感觉能力，比如它们还能够感知眼睛不可见的紫外或红外线辐射，能感知电场和磁场，乃至无色无味的气体等。
不难想象，敏感材料的类别和形式是非常繁复的。读者可根据不同的要求，从不同的角度对其进行分类，如根据性能转换原理（基于物理、化学或生物的效应）、用途、输出信号类型以及材料类别、制作工艺等来分类。物理类可包括：力、热、电、磁、光、声、辐射等敏感材料；化学类包括：化学吸附、电化学反应、离子过程、湿度效应、气体效应等敏感材料；生物类则包括：生理量、生物量、霉特性及免疫特性等敏感材料。如果从另一角度来看，也可按照用途进行分类：力敏（压力、扭力、振动、真空度）、热敏、湿敏、气敏、电磁敏、位移敏、速度及加速度敏、射线辐射敏、生物敏等敏感材料。按照其所用材料的类别则可分为：金属、聚合物、陶瓷敏感材料或导体、绝缘体、半导体、磁性敏感材料。按材料的晶体结构分为单晶、多晶、非晶敏感材料等等，不一而足。
总之，近年来敏感材料及以此制成的传感器已形成了一个十分庞大的产业链。据统计，全球研发机构已达6000余家，产品达20000余种，目前年产值已从1998年的325亿美元增至2006年的506亿美元。美国国家半导体公司（National Semiconductor）首席执行官 Brian Halla日前在Semico Summit会议上指出：全球无处不在的传感器，将为半导体及其相关产品和技术带来爆炸式的需求，同时创造了亿万个工作岗位。
敏感材料的外延：智能材料（Intelligent Material）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，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，它将支撑着未来高技术的发展，使传统意义上的功能材料和结构材料之间的界线逐渐淡化，从而实现了材料结构的功能化、功能的多样化。科学家们预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。
二、从传感、灵巧到智能材料
智能材料是在敏感材料、灵巧材料的基础上外延发展而成的新类型材料。所谓新型材料是指与传统材料相比，具有新的成分、新的组织、新的结构或新的形态，从而具有更特殊或更优越特性的材料。当今，新材料的发展方向可归结为四个方面：高性能化、多维多功能化、复合化和智能化。W.B.Spillman曾指出：一种新材料领域，往往是在以往所研究的无关项目，发展到了其最佳组分所形成的优势达到不可忽视的程度时出现的。智能材料便是在以往对材料科学、自适应控制系统及人工智能这三个相互无关的基础项目的研究与开发达到极至程度后，形成的一种新学科。T.Takagi则指出：智能材料是由材料的物理化学结构、功能特性以及信息与计算机技术三者的最佳组合构成的。
随着敏感材料研究的不断深入和对于材料多功能化的渴求，使复合材料被普遍使用。材料的分析、测试和操作手段的日益精良以及微电子技术的突破与计算机技术的迅猛发展，便构成了敏感材料向着灵巧化和智能化方向发展的重要依托。目前“灵巧材料（Smart Materials）”与“智能材料（Intelligent Materials）”的概念正在发展和形成之中，完全严格的定义至今还不够明确。“智能材料”概念的首先提出者，美国弗吉尼亚大学智能材料与系统中心（IMS）主任Craig.A.Rogers认为：功能材料多功能化形成的一个过渡阶段，称为“灵巧材料”，而当灵巧材料发展成为具有感知，并在感知外界条件变化、分析相应信息的基础上作出反应，
从而具有新功能，并具有生命力的材料称为“智能材料”。由于智能材料更为复杂，所以对应于敏感材料构成“器件”的概念，智能材料所构成的通常称为“系统”。
此外，还出现了另一些从不同角度对它们提出的定义。其中最典型的有从制作工艺出发的定义：将生命功能注入非生命或人工材料（或制品）所构成的集成化体系称为智能材料。其中包括感知（Sensing）、驱动（Actuating）、控制（Controlling）材料和部件。另一种典型的定义则由J.E.Gorden提出，他认为智能材料与系统是一种哲学而不是工艺技术，应将智能注入于材料的显微结构之中，不仅仅具有设计者事先所拟定的功能，并应达到更高层次的智能特性，其中包括：自诊断、自修复、自警报、自溶解、自释放、自反馈、自平衡、自识别和信息积累等功能。
在此基础上，美国宾州大学教授R.E.Newnhan还将灵巧与智能材料分为三种类型：仅仅能响应外界环境变化的无源材料称为“被动敏感材料”（Passive Sensing Materials），如变色眼镜玻片；能够识别外界环境变化，并经执行电路诱发反馈信号，最终实现自动响应环境变化的有源材料（系统）称为“主动灵巧材料（系统）”（Active Smart Materials），如半导体陶瓷恒温器；具有感知、执行功能，并可充分响应环境变化，从而改变性能参数的有源系统称为“非常灵巧材料（系统）（Very Smart Materials）”或“智能材料（系统）（Intelligent Materials）”，如下面将要提到的类橡胶防振软陶瓷。
我国材料科学家师昌绪院士的定义则既简单又确切，即Sensing+Actuating=Smart，Smart+Controlling=Intelligent。
三、智能材料的雏形——从恒温驱蚊器谈起
在前面，我们简单谈到了从敏感材料到灵巧材料、智能材料的发展过程以及各种材料的含义。一般认为智能材料及结构（系统）正在发展和形成的过程之中。然而事物的发生和发展阶段往往是不能截然分割的，这就是说在新生事物尚未正式成熟之前，它便已孕育在原有母体的腹中，即使到了新生事物的概念已被确立乃至新型材料已经出现，它仍然会存在诸多不尽完善之处。对于智能材料也是如此，早在二十多年以前，一些智能材料的雏形，如变色太阳眼镜、恒温热敏电阻陶瓷驱蚊器等，便在敏感材料的应用中显现于人们的生活之中。
目前已为人们司空见惯的变色太阳镜，就是一种光致变色材料。当被室外强光照射时，由于光化学反应而着色，达到遮光的目的；当回到室内或较阴暗处时，则又恢复原有的透明可视状态。显然这又是一种具有智能的材料。
四、自动调光、控温的电子窗帘——灵巧窗
世界因为有了颜色而绚丽多彩，生活因为有了色彩才更具魅力，这不仅仅是大自然的馈赠，更凝聚着人类的聪明才智。人们能用多种方式来表达颜色、享用颜色，其中“变色材料”的研究和开发，不仅使人们大开眼界，更在生产、生活，乃至国防等多个方面大放异彩。
使材料颜色变化的外界激发源是多种多样的，包括光、热、电和压力等。所谓光致变色材料，是当其受到一定波长的光照后，发生光化学反应而获得不同频率的光吸收，从而改变了颜色。人们最熟知的例子便是自动99266调节透射光强度的变色太阳眼镜，而采用光致变色聚合物作为记录层的光盘，是一种既可录制又可擦除的信号，能反复使用的信息记录材料。它在录制图文信息时，使用一种与起始化合物吸收波长匹配的激光照射，经过可逆的光致变色反应，便能产生不同颜色的微光点，而当再用与新生产物相配合的激光处理后，所录制的微点又会消失。光致变色光盘和传统的光盘相比，储存密度高，响应速度更快，抗磁、防污能力强，加工容易，成本低廉。热致变色材料则是指一些在受热或冷却时发生颜色变化的化合物或混合物，最简单的例子是氧化氮气体的变色效应。温度使分子化学平衡状态改变时，该材料颜色可在红棕色和无色之间变化。名贵的红宝石也就是一种典型的热致变色材料。压致变色是随着受力状况改变而变色的现象，已在若干材料中发现，比如，拉扯一个透明塑料袋常会使其变成乳白色，这是因为受力后，高分子结晶度发生变化所致。最近，美国已应用压敏涂料来测定飞机在飞行中机翼各部位的受压情况。而以往在飞机设计中所采用的“负载模型”，则既耗资巨大又耗时，所得数据也欠可靠。
电致变色材料则是指在外加电场作用下因光学性能（透射反射率）可逆变化而致使颜色及透明度可逆变化的材料。其中包括液晶、快离子导体和一些高分子聚合物材料。其中在学术领域最为熟知的便是聚苯胺导电高分子，在不同电压下可显示透明、黄、绿、蓝和黑等颜色，日本科学家白川英树就是以此而获得了2000年诺贝尔化学奖。
近年来，随着能源的紧张，节能材料的研究引起了人们广泛的关注，以电致变色材料为核心的全固态灵巧窗（Smart window，SW），可以动态地调节太阳能（可见光和红外波段）的透（反）射率，除用来作为大面积显示器外，还可在建筑物窗玻璃的调光控温、汽车等交通工具的挡风玻璃和防旋光玻璃以及电子、宇航等工业领域有广泛的应用。电致变色玻璃是一种新型的功能玻璃，是一种可主动控制的智能型材料。由玻璃基体（片）和电致变色系统组成的装置，利用材料在电场作用下所引起可见光及红外波段辐射的透射（或吸收）性能的可调性，能在不同地区、不同季节、不同时辰，根据人的意愿调节光照度及室内热辐射强度，使办公室或住宅等建筑物在夏季反射室外日照，室内保持凉爽，冬季反射室内较高温度，不致向室外散失而保持温暖，从而为人们创造了一个舒适的环境。由于能大大减少空调设备所耗费的能源，所以又把它称为“热镜”（Heat Mirror）。据报道，德国Hankuk公司正在研制的调光玻璃，甚至能够发挥天然“空调”的功能。北欧国家气候寒冷，当广泛使用灵巧窗后，能使空调所需的能量节省一半以上。据美国有关资料报道，每年冬季从玻璃窗失散的能量约占全年电能消耗总量的4%左右，仅冬季使用灵巧窗即可节能大约60亿美元。