1 «Интеллектуальные» материалы и конструкции

Теоретически обоснованный за рубежом (в Японии, а затем и в Америке) еще в начале 80-х годов 20 века и полученный на практике почти через десятилетие, «интеллектуальный» материал (ИМ), тем не менее, до сих пор не имеет строгого определения и классификации. В общем виде под «интеллектуальной» структурой на сегодняшний день принято понимать материал или конструкцию, обладающую тремя основными функциями: сенсорной, процессорной и исполнительной.

Наглядное определение «интеллектуальной» структуры, отражающее смысл ее функций, было предложено одним из основоположников теории этих материалов проф. Тошинори Тагаки: «интеллектуальный» материал — это материал, который сразу обнаруживает себя (сенсорная функция), вырабатывает свои собственные суждения и делает выводы (процессорная функция), сам себе дает инструкции и выполняет их (исполнительная функция) [1]. Таким образом, «интеллектуальный» материал рассматривается как приближение к живому организму [4, 5], как структура, способная адаптироваться к внешней среде и самопроизвольно отвечать на запрограммированные ситуации.

1.1 Структура «интеллектуальных» систем

«Интеллектуальные» материалы (ИМ) представляют собой логический результат исторического развития материалов в ряду: конструкционный материал- композиционный материал - функциональный материал - «интеллектуальный» материал [1, 3]. Такая градация отражает процесс развития материалов по степени удовлетворения требований, предъявляемых к ним. Исключением, правда, является композиционный материал, который своим появлением отражает необходимость в изменении внутренней сущности материала, как единственный способ, позволяющий реализовать возможность его дальнейшего совершенствования и адаптации.

К «интеллектуальным» материалам и конструкциям предъявляется целый ряд принципиально новых требований, таких как: гармония с окружающей средой, экономия ресурсов, благоприятность для человека, надежность в нестандартных условиях, оптимальный срок службы, способность к аналитической самооценке и т.д. Подобные требования подразумевают и особенные функциональные возможности новых материалов и конструкций (таблица 1.1), что определяет пути их создания и, в конечном итоге, их структуру.

Для реализации требований к «интеллектуальным» структурам, выражающихся в специфических «интеллектуальных» свойствах материала или конструкции, проф. Тагаки были предложены два подхода к конструированию «интеллектуальных» материалов - сращивание функций, и наслаивание функций, которые на сегодняшний день были реализованы только в виде конструкций, одной из частей которых являлся материал, позволяющий реализовывать «интеллектуальные» функции. Однако ведутся разработки и структур, реализующих «интеллектуальные» свойства и на уровне материала.

Из рисунков 1.1, 1.2 следует, что модели сращивания и наслаивания функций представляют собой некие функционально-замкнутые блоки, способные воспринимать, обрабатывать и выдавать некий сигнал.

Таблица 1.1 - Основные и вспомогательные функции «интеллектуального» материала [1].

Вид функции	Содержание функции
Функция датчика	Функция материала воспринимать информацию, поступающую из внешней или внутренней окружающей среды
Функция процессора	Функция обработки и оценки поступающей информации; функция запоминания (запись, сохранение и выдача данных) информации; функция обработки и оценки информации
Функция механизма	Функция действия на основе результата, полученного функциями датчика или процессора
Функция передачи информации	Функция систематической передачи информации, полученной от органически связанных функций датчика, процессора и воздействующего механизма
Функция энергии	Функция пополнения энергии, необходимой для выражения информации, поступающей из внешней или внутренней окружающей среды. Если тип пополнения энергии отличается от типа энергии, необходимой для выражения функций материала, необходима функция превращения пополненной энергии.
Основные структуры	Основные структуры, физические свойства и функции, первоначально принадлежащие веществам, из которых состоит материал

Процессорная функция

Рисунок 1.1 - Схема «интеллектуального» материала, созданного путем сращивания функций [1].

Сигнал, смещение, изменение характеристик

Эффекторная функция

Сенсорная функция

Стимулирование

Рисунок 1.2 - Схема «интеллектуального» материала, созданного путем наслаивания функций [1].

На рисунках показано, каким образом внешнее воздействие на материал преобразуется самим материалом в ответную реакцию. Сенсор, реагирующий на внешнее воздействие (деформацию, температуру, вибрацию, свет и др.), передает сигнал (деформацию, электрический ток, электрическое поле и пр.) на структурную единицу, играющую роль процессора. Процессор в зависимости от заложенной программы (в материале или компьютере) трансформирует входной сигнал в команду, поступающую на исполнительные элементы (активаторы или иначе эффекторы), выдающие выходной сигнал (чаще всего в виде деформации).

Однако, реализовать подобную работу на уровне материала очень сложно (пока нет таких материалов), и поэтому некоторые «интеллектуальные» функции вместо материала выполняются дополнительными частями конструкции, как то: усилитель сигналов от датчика, компьютер со встроенной программой, система управляющего воздействия. То есть некоторые структурные единицы «интеллектуального» материала выносятся из него, что делает данную структуру уже не материалом, а целой «интеллектуальной» конструкцией. Такая тенденция в настоящее время очень популярна, так как дает возможность закладывать в контролирующий конструкцию компьютер сложные программы.