最近上映的“復聯3”火遍了全球，據說不出意外就可以提前預定全球票房冠軍的寶座了。在影片中，鋼鐵俠的神勇給是最精彩的部分之一，本文就為金粉來點不一樣的“料”，
基於材料科學基礎對鋼鐵俠新戰甲的系統分析；並揭示制約納米戰甲發展的社會因素；以及分析如何加速智能材料研發？--材料基因的研發加速與產業鏈投資併購。ARMOR-50系列戰甲的智能材料技術細節探索
根據對電影的細節觀察，後期HOT TOYS以及相關資料的研究，我發現MARK-50裝甲可能會涉及到主要以下6種智能材料技術： 仿生自修復、變形、高吸能、輕量化、耐受極端環境、高密度儲能。
其中，對於仿生自修復材料的印象尤為深刻。
剛開始看到TONY出場，發現他胸前凸起更多的能量反應堆感到疑惑（是不是有點醜？），對於鋼鐵俠這種自大的英雄，他對顏值和身材比例是有極度的追求的。
但當小辣椒提及：“如果你真的願意隱退結婚，你就不會帶著這個東西了。”這句話給後文裝甲的出場埋下了伏筆。
在電影《鋼鐵俠3》中，TONY融入了絕境病毒的絕境裝甲，可以隨著神經元的連接，快速反應裝甲裝備，以及後期蟻人的出現，和黑豹項鍊納米鎧甲的展示，TONY應該及時升級了自己的裝甲。
我們能看到，從最初的鐵桶MARK-1，到半自動機械化裝甲MARK-3，再到可遠程組裝的MARK-43以及可通過同步軌道衛星發射的MARK-44 HULK BUSTER（反浩克裝甲），ARMOR的主要升級優先級邏輯是電子及機械系統穩定性>武器系統多樣性>極端環境可穿戴性及適配性>原材料創新。
但在新生代的ARMOR-50 IRONMAN和SPIDERMAN系列，呈現出的是原材料創新>可穿戴性>適配性>多樣性>穩定性。 不難理解，在經歷了迭代多次後，AI-Jarvis一定有了更強的裝甲戰損統計，作戰數據積累，數據清洗，英雄及敵方的數據模型強化學習等等大數據處理能力，所以穩定性和多樣性可以模塊化提高。但是因為遇到的敵人越來越離譜（變種人抑或是外星生物），都有著前所未有的挑戰。
所以對於裝甲本身的系統可靠性有了更多的要求，其必須適配至少囊括認知內，並且預測可防護認知外的能量源攻擊。這個時候，原材料-武器的第一性原理的基礎研發和實驗就作為了首要攻克和投資的方向。雖說目前連鋼鐵俠MARK-1的可穿戴戰甲技術可能都無法實現，但是根據STAN-LEE老爺子的腦洞去想想，這個學科交叉和方向並不會出太大的錯誤。
材料是工程的底層學科，同樣是交叉學科。記得本科老師曾說過，材料從業者是科學家面前的工程師，工程師面前的化學家，化學家身邊的物理專家，物理專家身旁的實驗高手，可以用“萬金油”來概括，畢竟知識血統的學科覆蓋面確實不少......
言歸正傳
對於這張動圖，觀眾一定不陌生。炫酷的裝甲，首先以金屬色的基礎骨架包囊身體，然後再生長出納米覆蓋的裝甲層，甚至可能嵌入了微電子系統，可以說這個細節真的讓學習材料科學與工程的人感到興奮。
每一個瞬間，可能就是自己在實驗室千萬次的場景，看著材料晶胞在高倍數顯微鏡下的動態生長，抑或是夜晚難寐，在腦海中的動態實驗模擬過程，亦或是靜態的SEM圖像觀察......
筆者才疏學淺，無法準確定義這個動態過程，到底屬於自修復抑或液態金屬變形，總而言之，就是酷！說不清具體機理，畢竟有CG的支撐，還是有片段可以猜測一些可能用到的現有技術的升級衍生。
在對仿生自修復和液態金屬複合材料進行介紹之前，想先定義下複合材料和智能材料的概念。
複合材料（來源維基百科）：
複合材料是由金屬材料、陶瓷材料或高分子材料等兩種或兩種以上的材料經過複合工藝而製備的多相材料，各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料而滿足各種不同的要求。 複合材料由連續相的基體和被基體包容的相增強體組成。複合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。
非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、單晶晶須、金屬絲和硬質細粒等。同時60年代，為滿足航空航天等尖端技術所用材料的需要，先後研製和生產了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的複合材料，其比強度大於4×106cm，比模量大於4×108 cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂複合材料相區別，這種複合材料被稱為先進複合材料（新材料，Advanced Composites Material，簡稱ACM）。
ACM具有質量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、隔熱、隔音、減震、耐高（低）溫等特點，已被大量運用到航空航天、醫學、機械、建築等行業。
智能材料還沒有統一的定義。不過，現有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。大體來說，智能材料就是指具有感知環境(包括內環境和外環境)刺激，對之進行分析、處理、判斷，並採取一定的措施進行適度響應的智能特徵的材料。
總體而言，智能材料具備以下特徵：
- Perception | 感知，能夠檢測並識別外（內）部的刺激強度；
- Driven fuction | 可響應外界變化；
- Coded by inventors | 按照設定方式選擇和控制材料相應
- High sensitive | 反應靈敏及時恰當
- Fast recovery | 刺激消除後，迅速恢復原始狀態
接下來說說智能材料的構成：
（1）基體材料：負責承載，輕質。主要以高分子材料為主，輕量化，耐腐蝕，同時具備非線性的粘彈性特徵。次要可選擇輕質有色合金。
（2）敏感材料：負責感知環境變化（包括壓力、應力、溫度、電磁場、PH值等）。常用：如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。
（3）驅動材料：一定條件下可以產生較大的應變和應力，負責響應和控制。常用如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。可以看出，這些材料既是驅動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設計時可採用的一種思路。
（4）輔助材料：因應用場景而異，屬於性能增強的作用，包括導電、磁性光纖和半導體材料。
從非官方的定義可以看出新材料抑或是智能材料，同樣具備輕量化、耐受極端環境的特徵。不同的智能材料的自發式相應特徵，給了材料從業者更多的研發想象空間。
此圖在PART2中主要展示了，智能材料集成系統的系統工程架構圖。傳感器和信號數據處理，是系統集成的第一步，再嵌入基體材料中。同時完成網絡和通信的交互，再解決能源供應的問題，整體的應用場景就可以完成了。整個鋼鐵俠的系列裝甲，頂層機械系統設計的方向可以說就是基於MIIS開發的。
所以暫時把MARK-50系列戰甲的材料技術領域歸為智能材料。若有偏頗，請聯繫訾垚，我向您請教。那麼目前，我們可以認為ARMOR-50戰甲是一定具備輕量化和耐受極端條件（極端溫度，酸鹼度，超失重，）的特徵的，這從MARK1到3，再到反浩克裝甲的迭代可以看出。
那麼在這裡，我想主要著重深入MARK-50裝甲仿生自修復和高吸能的材料屬性。（專業知識有限，只接觸過這兩個場景，儲能和變形材料不敢妄議。）
關於仿生自修復材料：
可以說自修復材料就是聚合物基自修複復合材料，對於這種材料其主要自修複方法有本徵性自修復和外援型自修復。兩者區別在於自修復體系是否需要外加修復劑，外源性自修復通過在材料體系內外加修復劑實現自修復功能。
對於MARK-50展示出的自修復特徵，是一個非常複雜的過程，不好定義是否為外援或本徵。
但是鋼鐵俠在差點被滅霸KO的時候，裝甲是有局部戰損的，可以看出其材料自修複次數有限，其自修復因子若想保持性能，可能是需要持續添加修復劑的。
- 中空纖維自修復
其機理為：將中空纖維埋植在基體材料中，空心纖維內裝有修復劑流體，材料發生破壞時通過釋放空心纖維內的修復劑流體粘接裂紋處實現損傷區域自修復。
- 納米粒子自修復
自修復機理為：當材料產生裂紋時，納米粒子向裂紋區域擴散（納米粒子尺寸越小擴散效果越好），擴散後的納米粒子相將裂紋處填充從而起到修復的作用。
- 微膠囊自修復
微膠囊自修復聚合物材料於2001年首次提出，在之後的十幾年中成為科研學者們的研究熱點，並已成為目前最主要的自修複方法之一。其自修復機理為：將內含修復劑的微膠囊埋入聚合物基體材料中，同時在基體中預埋催化劑（也可將催化劑微膠囊化後埋入基體材料中），材料產生裂紋後，裂紋的擴展導致微膠囊破裂，釋放出的修復劑在虹吸作用下向損傷區域擴散，遇到催化劑後發生聚合反應修復裂紋。
- 微脈管自修復
微膠囊自修復體系雖然是目前應用最廣泛的，但其只能實現單次修復，與理想的自修復材料相比還存在差距。與其相比，2007 年首次實現的微脈管網絡自修復體系通過模擬生物體組織自癒合原理，通過在材料內部埋入具有三維網狀結構的微脈管，可實現修復劑的持續補充，因此可實現材料損傷的多次修復。
- 碳納米管自修復
碳納米管作為材料自修復體系，其修復機理為：將埋植在基體材料內的碳納米管充當容器，在其內部儲存修復劑分子，當材料產生裂紋時碳納米管破裂，修復劑釋放出來後吸附在裂紋處或在裂紋處發生化學反應粘接裂紋實現自修復功能。碳納米管自修復體系是理想的自修復材料體系，但目前僅處於計算機模擬階段，沒有真正的實驗研究，預計將來會得到很好的應用。
大膽猜想：
上述外援型自修復機理（被動式自修復機理：我自己定義），最接近MARK-50的自修復效果的可能就是碳納米管自修復，雖然還在Simulation的階段，但在目前材料基因學（組合材料學）的學者們的努力下，一定會有嵌入感知器的智能自修復材料出現，甚至可以進行損傷源團簇的定向自修復等基於強化學習的自我升級的材料誕生。
在開始高吸能複合材料的介紹前，請大家先看看這個動圖.....
在滅霸本來魁梧的身軀下，挨頓揍就挺不好受的了......再加上力量原石，那這基本上對於大部分肉盾型超級英雄也是吃不消的......小蜘蛛疼嗎？
我不知道......但是這樣的重擊還沒有戰損，除了自修復功能之外，吸收高能量的功能一定是戰甲必備，並且對於戰鬥場景是必須的。
筆者目前對高吸能材料（泡沫材料、剪切增稠液等）有一些瞭解，在這裡不做過多綜述，主要對目前現有的剪切增稠液做一個簡單的介紹：
剪切增稠液是由分散相和分散介質組成的分散體系，分散相為固體微顆粒"分散介質為低分子有機或者無機液體，分散相體積分數一般在40%以上。
剪切增稠液主要分為兩大類，一類是由納米粒子為分散相的膠體體系如氣相二氧化硅，納米碳酸鈣等。
另一類是由亞微米或者微米級的粒子為分散相的懸浮體系，如亞微米的二氧化硅、亞微米的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微米級的澱粉等。PS：PMMA就是常用的玻璃替代品（有機玻璃）。
上圖展示了兩類剪切增稠液由於分散相顆粒尺寸存在數量級的差異，表觀行為也有顯著差別，前者一般表現為連續性的剪切增稠(Continuous shear thickening)，後者在高濃度的狀態下會出現非連續性剪切增稠(Discontinuous shear thickening)。
剪切增稠機理：
有序到無序（熵增系統，吸收能量），粒子簇（Cluster）和粒子堵塞機理。其中粒子簇機理很好的解釋了連續性剪切增稠的過程，但是對於非連續的剪切增稠體系，粒子堵塞機理就更量化的解釋了。
目前剪切增稠液的應用：
Mahfuz等用改性二氧化硅製備剪切增稠液，利用該剪切增稠液與Kevlar織物製備複合材料,與未改性二氧化硅製備的剪切增稠液相比,這種剪切增稠液可以大大提高織物吸收能量的能力。
說到具體應用，需要提及兩個重量級的產品：D3O和P4U。
D3O是一種工程定向設計的材料, 確切的分子結構還屬於商業秘密。根據研究人員的介紹，
這是一種由黏性流體 (viscose fluid)和聚合物 (polymer)所合成的材料，具有“應變速率敏感性” (strain rate sensitivity) 的特殊性能。
在正常情況下，材料中的分子間只有很弱的連接力,並且可以自由運動,所以材料柔軟、可彎曲；當突然受到外力的衝擊而變形時,就會引起材料中分子間的連接力增強，可自由運動的分子立即被凍結，使材料變得非常堅硬，吸收衝擊能量,成為具有保護性的盾牌，衝擊結束後，材料又恢復到原有的柔軟狀態，這一過程是瞬時可逆的。
目前已經應用在了運動護具、軍隊武裝、還有3C產品保護殼上。P4U是中國版的D3O，P4U取名於“Protection For You”，為你保護的意思，側重於各種衝擊防護：防撞、防摔、減震、吸能、緩衝。顏色為代表中國的紅色。
P4U的適用性更強，具有更強的耐候性，既能採取封裝的形式使用，也能通過模具加工成固定的形狀，所以適用面非常廣，它的用途除了個人防護之外，還包括汽車碰撞防護、新能源汽車電池保護、建築橋樑速度鎖定器、阻尼器、機器人仿生肌肉等。
機器人仿生肌肉，是不是聯想到了鋼鐵俠的這個護甲？
看著真疼......但是應該吸收了不少衝擊了。
大膽腦洞：
目前剪切增稠液的納米材料正在研發中，有學者甚至想到把自修復材料和STF結合起來，應用到綜合的工程場景，恩師楊晶磊教授的一篇高質量文章就提及了這個大膽的想法：
應用材料納米化，智能化，一定是目前智能材料的研發戰略和方向！鋼鐵俠的牛逼戰甲一定可以成為現實！
納米戰甲可能暫時做不出來的原因
筆者認為原因有三。
產業經濟:
脫離產業鏈談生意就是耍流氓。根據AMC曲線，新技術都有一定的發展週期，沒有人能夠打敗時間，也只有時間才可以考驗技術的可靠性。對於新材料公司而言，從idea到決定創業，到產品面世，再到規模化生產，最終成為一家大同上下游產業鏈的成熟企業，這個過程往往非常艱辛。不僅僅是對材料概念和性能的考驗，更是對人性的考驗。 M2，PMI以及世界宏觀經濟等指數顯現出的現有經濟環境，都沒有給長週期行業一個良好的孕育搖籃啊。
人力資源:
互聯網公司、投行、諮詢等待遇優厚，社會認可度高的企業，慣壞了大部分70，80，90甚至00後。往往選擇畢業從事高端製造業的少之又少。人才的穩定性和企業文化的粘性，困擾了一批又一批實幹家。
產業鏈上，材料這個行業的平均工作年齡在逐年增長。人才流失與吸引力不再，甚至因為人力成本提高的原因，如今招募一些可靠的技工都是一將難求的。匠人精神，是需要數代人傳承的，AI的出現，同時衝擊著高端製造業的人力資源體系。如海康威視的AGV機器人在做著基於人工智能的包裹分揀，ABB的機械臂衝擊著曾經的焊工、鉗工等鐵飯碗。
AI還暫時不能替代創物，所以人還是研發的第一生產力。
政策:
即便國家出臺扶持政策，製造業2025等等，還是不能緩解產業的壓力。
如何加速智能材料研發？
--材料基因的研發加速與產業鏈投資併購
奧巴馬曾經在任時，將MGI材料基因作為國家戰略，再次在政府報告中將材料創新調整至國家戰略。學術界相應的都一擁而入，國內目前也在設立巨型的材料基因研究基金，鼓勵學術界與民間進行材料基因的加速研發。
簡單說下材料基因的用途是什麼，主要利用AI+高通量材料實驗對現有材料進行大數據分析，同時隨著強化學習，遷移學習等AI技術發展，可能對材料進行模擬合成和高通量試錯。這就大大節省了材料研發和試錯實驗的成本。
3D打印（增材製造）解決的是工程設計的時間成本優化，MGI的用途就是加速工程設計之前，原材料的生命週期縮短。只有這項技術得以高速發展，鋼鐵俠的納米裝甲才能得以快速實現。
新材料在線對於材料企業的投融資有一些整理：
上述為國內和國際對材料投資有佈局的VC和PE機構。對於材料企業融資併購方面，因為沒有參與過材料投資（僅參與過TMT併購），暫時沒有資格討論。只能說目前比較現實的盈利或者生存模式，就是被巨型上市集團併購和IPO兩個退出的渠道，智能材料的市場，目前以概念為主，真正投入市場運營的，屈指可數啊。
材料是一個動態的行業，投資邏輯同樣也是以動態週期性因子的風險控制為主：
對於未來的智能製造暢想，加入了AI後，則呈現出以下的一個矩陣態勢。製造業的AI應用，則是以數字化改革開始的，在製造過程控制，先前製造產品的數據分類，統計，迴歸等分析出可以AI改造的特定流程。在針對性的場景下，嵌入AI技術，實現“智能”製造。具體的例子，比如用卷積神經網絡，識別半導體產品的表面缺陷等等。
總結：
鋼鐵俠納米戰甲的實現，是很多材料人的目標甚至是夢想。發明材料容易，應用難，發展更難。
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