工業(yè)革命是指在人類社會工業(yè)化過程中以機器取代人力的技術(shù)變革運動，其間技術(shù)革命的成果轉(zhuǎn)變成了可用于工業(yè)生產(chǎn)的先進設(shè)備和理念。這不僅使得人工有限的勞動能力得以大規(guī)模地被機器取代，而且把勞動能力擴張到以往無法實現(xiàn)的范圍。其間，大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)逐步取代了手工作坊式的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式。第一次工業(yè)革命起源于18世紀中期的英國，也稱為英國工業(yè)革命，革命的成果主要是用機器取代和擴張了人的簡單體力勞動。第二次工業(yè)革命起源于19世紀中期的歐洲，并蔓延到美國，革命的成果主要是用機器廣泛、大規(guī)模、高效地取代和擴張人的復(fù)雜體力勞動。第三次工業(yè)革命起源于20世紀70年代的美國，革命的成果主要是用機器取代和擴張人的簡單腦力勞動。第四次工業(yè)革命于21世紀初由德國率先提出，革命的目標是用機器取代和擴張人的智力勞動。歷次工業(yè)革命過程都涉及大量使用各種新型的工程材料。材料作為制造有用物件的物質(zhì)，也是支撐工業(yè)革命的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，材料技術(shù)的進步對工業(yè)革命的發(fā)生和發(fā)展都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1−2]。

1. 第一次工業(yè)革命與傳統(tǒng)鐵器的發(fā)展

自18世紀中期開始，英國連續(xù)發(fā)明出了各類新型機械裝置。1733年英國機械師約翰·凱伊發(fā)明飛梭，使得織布的速度和效率顯著提高，但隨即導(dǎo)致紡紗的速度無法滿足快速織布機械對大量紗線的需求。1764年英國織工兼木工詹姆斯·哈格里夫斯發(fā)明了手搖紡紗機，即珍妮紡紗機，能同時紡16~18個紗錠，提高工效15倍。1769年英國理發(fā)師兼鐘表匠理查德·阿克萊特發(fā)明了水力紡紗機，以水力取代人力來驅(qū)動紡紗機。這樣，工業(yè)生產(chǎn)的運轉(zhuǎn)開始從手工轉(zhuǎn)變?yōu)橛伤︱?qū)動的大機器操作，且可使生產(chǎn)規(guī)模明顯擴大，自此英國以紡織業(yè)為起點拉開了工業(yè)革命的帷幕[3]。1779年英國青年工人賽米爾·克隆普頓發(fā)明了繆爾紡紗機，能同時運轉(zhuǎn)300~400個紗錠以便紡出精細而結(jié)實的紗線，1785年英國工程師埃地蒙特·卡特萊特制造出了水力織布機，使織布效率提高了40倍。1791年英國建立第一個機械化織布廠。隨后紡織工業(yè)各個生產(chǎn)工序都轉(zhuǎn)向機械化操作，先后發(fā)明了凈棉機、梳棉機、漂白機、整染機等各種機械，使棉紡織工業(yè)實現(xiàn)了系統(tǒng)性的機械化生產(chǎn)。

各種機器的制造依賴于當時人們在開拓進取精神推動下不斷取得的創(chuàng)新性突破，技術(shù)發(fā)明不斷涌現(xiàn)。圖1顯示了18世紀期間英國對紡織業(yè)發(fā)明專利數(shù)目的不完全統(tǒng)計[4−5]；可以看出，隨著工業(yè)革命的發(fā)展人們在技術(shù)創(chuàng)新方面的熱潮日益高漲。1769年蘇格蘭格拉斯哥大學機械師詹姆斯·瓦特總結(jié)了前人的經(jīng)驗，經(jīng)多次試驗制成了第一臺單動式蒸汽機；后經(jīng)改進于1782年制成了聯(lián)動式蒸汽機。由此人類全面進入了近代以機器大規(guī)模取代人力的蒸汽時代，蒸汽機的發(fā)明也成為了英國工業(yè)革命的重要標志。蒸汽機可以為各種機械設(shè)備提供動力，其推廣應(yīng)用促進了英國各個工業(yè)部門的機械化改造。用蒸汽機取代水力驅(qū)動紡紗機和織布機，可使紡織工廠擺脫對河邊水力的依賴，促進了紡織機械化生產(chǎn)的推廣和普及。1784年英國建立了第一座蒸汽紡紗廠，隨后出現(xiàn)了蒸汽機驅(qū)動的冶金蒸汽鼓風機、采礦用蒸汽排水機、蒸汽火車、蒸汽輪船等，還有諸如輾壓機、鑿井機、曳運機、蒸汽錘、金屬加工車床等。到1825年英國已有蒸汽機1.5萬臺、總共37.5萬匹馬力[3]。到19世紀初期已經(jīng)具備用機器制造機器的能力，并實現(xiàn)了不僅向其它地方出口工業(yè)產(chǎn)品，而且出口用于工業(yè)生產(chǎn)的機器。

英國工業(yè)革命需要制造大量機器以滿足工業(yè)生產(chǎn)和出口需求。當時的機器大多由鐵器制造，需消費大量優(yōu)質(zhì)鐵器，由此也推動了英國冶鐵、制鐵業(yè)的快速發(fā)展。1720—1740年間英國的鐵器年產(chǎn)量不超過2萬t，而1788年的產(chǎn)量就增加到6.8萬t、1806年達到26萬t， 1839年猛增到134.7萬t[6]。此時鐵的產(chǎn)量雖然增加，但其生產(chǎn)方式仍基于傳統(tǒng)技術(shù)，并未發(fā)生革命性改進。

2. 第二次工業(yè)革命與現(xiàn)代鋼鐵材料

在英國工業(yè)革命取得巨大成功的推動下，自19世紀中期以來歐美各國不斷涌現(xiàn)出多種多樣的革命性技術(shù)發(fā)明，由此推動了第二次工業(yè)革命。在蒸汽機的基礎(chǔ)上，1884年英國查爾斯·帕森斯發(fā)明蒸汽輪機[7]。在燃氣動力方面，1860年法國勒努瓦制造出實用煤氣機[8]；德國的發(fā)明家和工程師們在汽車技術(shù)的發(fā)展上做出了巨大貢獻。1876年奧托創(chuàng)制四沖程內(nèi)燃機、1883年戴姆勒創(chuàng)制汽油機、1897年狄塞爾研制出柴油機[9]，1886年卡爾·本茨發(fā)明了內(nèi)燃機汽車[10]。在電力方面，1866年德國西門子制成直流發(fā)電機[11]，1873年比利時齊納布·格拉姆展示了他的實用直流電動機[12]，1886年美國威斯汀豪斯公司開始制造交流發(fā)電機，1888年塞爾維亞尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流電動機[10]。在化學方面，1863年瑞典科學家阿爾弗萊德·諾貝爾獲得安全炸藥的專利，其炸藥的威力極大[13]。歐美的這些技術(shù)發(fā)明很多涉及產(chǎn)生燃氣動力或電氣動力的機器借以驅(qū)動其它各類工業(yè)機器，由此推動了多種機器制造業(yè)的發(fā)展以及歐美的全面工業(yè)化進程，使得機器開始廣泛、大規(guī)模、高效地取代和擴張人的復(fù)雜體力勞動。歐美各國新技術(shù)競相涌現(xiàn)、互相促進，極大地推進了工業(yè)革命進程。然而，英國工業(yè)革命時期使用的冶鐵技術(shù)存在批量小、生產(chǎn)效率低、價格較高、性能有限等缺點，尤其是質(zhì)量不穩(wěn)定，即每批鐵器的技術(shù)質(zhì)量會有所差異，不能滿足第二次工業(yè)革命期間涌現(xiàn)出的大量新型機器在性能水平和經(jīng)濟效益方面更高的需求。由此對冶金技術(shù)的改進提出了新的挑戰(zhàn)，并催生了新型冶鐵技術(shù)，或稱現(xiàn)代化煉鋼技術(shù)，即以大批量、高效率、低成本、優(yōu)品質(zhì)的方式生產(chǎn)鋼鐵材料的技術(shù)，鋼鐵材料也成了推進第二次工業(yè)革命必備的物質(zhì)基礎(chǔ)。

1864年法國人馬丁建造了第一個專用煉鋼設(shè)備：西門子─馬丁爐，也稱為平爐[14]，由此歐美開始了現(xiàn)代化煉鋼生產(chǎn)。1871年英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量達到了約75萬t，1875年則快速發(fā)展到約165萬t[15−16]。1879年英國開始用平爐鋼建造鋼結(jié)構(gòu)橋梁，1889年法國政府用約7000 t平爐鋼建成了324 m高的埃菲爾鐵塔[2]。1856年英國人貝塞麥公布了一種轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即在一個可以翻轉(zhuǎn)的熔池內(nèi)把空氣吹入液態(tài)生鐵來煉鋼的高效方法；1878年英國的托馬斯發(fā)明了適合歐洲鐵礦石煉鋼的托馬斯法，并迅速在法國和德國得到推廣應(yīng)用[2]。1895年英、美、法、德的鋼產(chǎn)總量超過了1000萬t[15]。1879年法國人艾納比克發(fā)明了鋼筋混凝土，即水泥與砂、碎石按照一定比例經(jīng)攪拌混合成混凝土，再在其內(nèi)添加鋼筋制成極為堅實的建筑結(jié)構(gòu)，被廣泛用于土木建筑工程。制作這種鋼筋混凝土就需要使用大量鋼材(圖2)。優(yōu)質(zhì)鋼鐵材料的大規(guī)模生產(chǎn)有力地支撐了第二次工業(yè)革命的發(fā)展，也使歐美進入了鋼鐵時代。

在技術(shù)上互相促進的同時，當時西方各國已經(jīng)廣泛地向海外擴張，在取得工業(yè)化利益之外還在殖民地獲得了大量盤剝利益[5]。盡管如此，隨著經(jīng)濟實力的迅速增強，西方國家積極逐利的傾向不可避免地導(dǎo)致了各國利益的沖突，戰(zhàn)爭也變得不可避免。鋼鐵新技術(shù)推動的二次工業(yè)革命不僅促進了社會經(jīng)濟的發(fā)展，而且改變了戰(zhàn)爭的形態(tài)和規(guī)模。進入鋼鐵時代后，用于戰(zhàn)爭的槍炮子彈、飛機坦克、碉堡要塞等各種武器裝備得以更便捷地大量使用鋼鐵，各國的軍事能力也得到極大提高。各國的鋼鐵產(chǎn)量也對應(yīng)著其應(yīng)對戰(zhàn)爭的硬實力(表1)。

進入鋼鐵時代不久，就出現(xiàn)了人類歷史上的兩次世界大戰(zhàn)。參見表1，緊鄰第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)的1913年德國產(chǎn)鋼1700萬t[17]，大致相當于英國(796萬t[18])、法國(500萬t[17])和俄國(479萬t[19])的總和；因此德國敢于發(fā)動第一次世界大戰(zhàn)。1917年美國對德宣戰(zhàn)，當時美國年產(chǎn)鋼已達4000萬t[20]，美國的參戰(zhàn)使得德國迅速落敗，1918年一戰(zhàn)結(jié)束。雖然鋼鐵產(chǎn)量并不是戰(zhàn)爭勝負的決定因素，但卻有非常重要的影響。1937年日本發(fā)動全面侵華戰(zhàn)爭，中國雖全力抵抗，但實力差距過于懸殊。當時日本年產(chǎn)580萬t鋼，而中國國統(tǒng)區(qū)年產(chǎn)僅4萬t鋼[21]，且戰(zhàn)端一開，中國產(chǎn)鋼能力迅遭破壞，至1938年每年產(chǎn)鋼不足0.1萬t[22]。當時日軍的炮彈甚至比中國的子彈都多，因此中國的抗戰(zhàn)非常艱難，只能借助持久戰(zhàn)，利用地理空間換取抗戰(zhàn)的持續(xù)時間。1939年德國產(chǎn)鋼2600萬t，高于英(1343萬t)國和法國(790萬t)的總和[23]，德國借助進攻波蘭在歐洲發(fā)動了第二次世界大戰(zhàn)。法國為了防止德國的入侵借助鋼筋混凝土技術(shù)(圖2)斥巨資和大量鋼鐵于1928—1936年期間沿德法邊界修筑了大量的永久性軍事防御設(shè)施，包括工事、要塞、堡壘、通道等，史稱馬其諾防線。防線蜿蜒數(shù)百千米、縱深10 km左右，設(shè)施的鋼筋混凝土頂部和墻壁厚度可高達數(shù)米，可抵擋口徑400 mm以上炮彈的直接攻擊。最終德軍不得不避開馬其諾防線，繞道法國與比利時邊界的阿登地區(qū)，突襲并擊敗英法聯(lián)軍，造成其敦刻爾克大潰敗，法國也不得不于第二年6月投降。1941年德國的鋼產(chǎn)量仍超過蘇聯(lián)，并對蘇聯(lián)發(fā)動閃電戰(zhàn)。同年底，年產(chǎn)684萬t鋼的日本貿(mào)然偷襲珍珠港，向年產(chǎn)超過6000萬t鋼的美國宣戰(zhàn)[24]，由此第二次世界大戰(zhàn)在全世界范圍展開?？梢哉f，第二次世界大戰(zhàn)在一定程度上也是各國鋼鐵及其產(chǎn)能的比拼，美國的參戰(zhàn)及其保有的戰(zhàn)爭能力確實改變了戰(zhàn)爭的格局。1950年朝鮮戰(zhàn)爭爆發(fā)，年底志愿軍入朝作戰(zhàn)。當年中國的鋼產(chǎn)量只有60萬t，而美國則有8772萬t[25]。在如此巨大的差距下志愿軍的作戰(zhàn)雖非常艱苦，但也實現(xiàn)了預(yù)設(shè)的作戰(zhàn)目標；說明鋼鐵產(chǎn)量確實不是戰(zhàn)爭勝負的惟一決定因素。

3. 第三次工業(yè)革命及信息材料

信息及其儲存、傳遞和更新是現(xiàn)代社會非常重要的構(gòu)成要素，與之相關(guān)的信息技術(shù)和設(shè)施也在不斷改進[26]。在電子通信設(shè)備內(nèi)用電路的暢通或阻斷可以簡捷地表達或記錄數(shù)值，暢通、阻斷即為數(shù)學上1、0兩個數(shù)值所表達一個數(shù)位的二進制數(shù)字，稱為一個比特(bit)；能表達1、0兩個數(shù)值的電路稱為比特電路。數(shù)字、文字、圖形等各種信息都可以按照特定規(guī)則轉(zhuǎn)化成可存儲于電子系統(tǒng)的復(fù)雜二進制數(shù)據(jù)，這一過程即為信息的數(shù)字化。計算機很容易對這些數(shù)字化的信息作運算、加工、處理、更新等操作。當今實用的計算機中通常用8個比特電路組成一個信息單元，稱為字節(jié)(Byte)或B，以表達任何可能的字母、數(shù)碼、符號等。210個字節(jié)稱為1 KB，即1024 B。1946年美國在第二次世界大戰(zhàn)之后制造出了世界上第一臺電子計算機，1 s可作5000次加法[27]。這臺計算機中用作比特電路的電子元件是單向?qū)щ姷恼婵针娮庸?。這臺計算機使用了17468個真空電子管，按8個真空電子管為1個字節(jié)計算，這個計算機中所有真空電子管可換算出的字節(jié)數(shù)僅約2 KB，還不具備商業(yè)價值。

當人類社會進入這一個階段，大量的信息被數(shù)字化，且在計算機及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)海量存儲、高速傳輸、廣泛共享、經(jīng)計算機處理和運算后可轉(zhuǎn)換或衍生出大量的新信息，極大地促進知識快速更新和實體經(jīng)濟發(fā)展，則人類社會就進入了信息時代。與傳統(tǒng)社會的信息技術(shù)相比，信息時代的信息被大規(guī)模地數(shù)字化，信息的加工、處理、更新，以及新信息的產(chǎn)生方式被計算機化，信息的存儲和快速傳遞方式被網(wǎng)絡(luò)化。在信息時代財富可以僅靠信息的創(chuàng)造、使用、傳播、整合和操控而快速創(chuàng)造出來，并形成了相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)。集成電路是對電子信息具有存儲、運算或處理功能的材料，光導(dǎo)纖維是對光電子信息具有網(wǎng)絡(luò)化傳輸功能的材料。材料工程上一切對信息具有探測、接收、傳輸、存儲、運算、顯示或處理等功能的材料都屬于信息工程材料，簡稱信息材料。與信息的探測、接收、傳輸、存儲、運算、顯示或處理等有關(guān)的技術(shù)稱為信息技術(shù)。信息時代有兩個關(guān)鍵性要素：其一是信息的數(shù)字化及其加工、計算以及新數(shù)據(jù)的衍生；其二是信息的海量存儲和廣泛傳播的高效率系統(tǒng)工具和介質(zhì)。信息的數(shù)字化處理及其加工、計算是一些理念和數(shù)學方法，而信息海量存儲及廣泛傳播工具和介質(zhì)則是非常物質(zhì)性的設(shè)備和材料，后者的發(fā)展水平制約著信息時代進展的步伐。

從十幾厘米的真空電子管開始，一個比特電路尺寸的小型化先是幾個厘米的小型電子管，再到幾個毫米的晶體管；由此，使得相關(guān)的計算機技術(shù)逐漸進入了實用化階段。但是對于高容量和高工作效率的計算機來說，把大量幾個毫米大小的比特電路進一步緊密地排列、并連接在一起，會擠占較大空間且制作繁瑣，極大地限制了計算機容量及效率的提高。1958年美國工程師基爾比在一個鍺半導(dǎo)體片上同時制作出了1個尺寸為1 mm左右的比特電路和幾個其它的電子元件，即把幾個電子元件集成在一小塊半導(dǎo)體上，形成的一個集合的電路，稱為集成電路；這是世界上第一個集成電路[28]。隨后集成電路技術(shù)得到迅速發(fā)展，半導(dǎo)體片由鍺變成了性能更好的硅，主要用于集成比特電路；且比特電路的尺寸越做越小、一塊集成電路上比特電路的數(shù)目越來越多。到20世紀80年代比特電路的尺寸減小到1 μm (1 mm=1000 μm，圖3（a）)，20世紀90年代減小到幾百納米(1 μm=1000 nm)，21世紀初再減小到100 nm以下，今天的材料加工技術(shù)已可制出10 nm寬[28]，甚至更低寬度的比特電路。以1 cm×1 cm的集成電路來估算，如果一個比特電路的尺寸為1 μm×1 μm(圖3（a）)，則一個集成電路上可制出1億個比特電路[29]；如果所具有的材料加工技術(shù)可制成10 nm×10 nm或尺寸更小的比特電路(圖3（b))則可制出1萬億個或更多的比特電路[5]。由此可見，材料精細加工技術(shù)的進步?jīng)Q定著集成電路的容量和可發(fā)揮的工作效率。

利用通信線路和設(shè)備以一定的連接方式把分布在不同地點且具有獨立功能的計算機系統(tǒng)相互連接在一起，在網(wǎng)絡(luò)軟件的支持下進行數(shù)據(jù)通信、實現(xiàn)資源共享的系統(tǒng)稱為互聯(lián)網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)是計算機與通信網(wǎng)絡(luò)以某種形式結(jié)合的產(chǎn)物。20世紀50年代，將電傳打字機與計算機遠程連接起來，人們可以在異地的電傳打字機上輸入指令，讓計算機運算；然后再把運算結(jié)果傳送到遠處的電傳打字機打印出來。由此開始了計算機與通信的結(jié)合。1969年美國國防部高級計劃開發(fā)署支持的分組交換網(wǎng)投入運行，把加利福尼亞大學洛杉磯分校、加利福尼亞大學圣巴巴拉分校、斯坦福大學、猶他大學四個站點的計算機連接成網(wǎng)，由此開始了計算機網(wǎng)絡(luò)的正規(guī)發(fā)展時期。自1974年開始，美國IBM公司及其他公司分別公布了各自的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系。1977年國際標準化組織提出了使不同體系結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡(luò)都能互聯(lián)的標準框架。20世紀80年代中期以后，開始了互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的歷史階段[30]。

要在全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上達到資源共享的目標就需要存在一種大容量、高速度的通信網(wǎng)及相應(yīng)的通信線路。而通信電纜等傳統(tǒng)的通信線路完全無法滿足互聯(lián)網(wǎng)大容量、高速度的要求。1966年美國學者高錕和霍克姆提出了光導(dǎo)纖維通信的概念。根據(jù)物理中的光學原理，光束從一種介質(zhì)中傳播并照射到另外一種介質(zhì)時不僅會發(fā)生反射，也會發(fā)生折射。如果兩種鄰接介質(zhì)對光的折射特性差異足夠大，當光束在這兩種介質(zhì)之間穿越時就會發(fā)生全反射現(xiàn)象。此時光束不會從其所在的介質(zhì)穿越到相鄰的介質(zhì)中，而是被完全地反射回來，仍在原來的介質(zhì)里傳播。如果光束所在介質(zhì)對光束的吸收系數(shù)很低，且其內(nèi)正在傳播光束的介質(zhì)被全反射介質(zhì)完全包圍，則借助在兩介質(zhì)之間的反復(fù)全反射過程可使光束在被包圍介質(zhì)中作長距離的傳播。現(xiàn)代光通訊技術(shù)是以激光為載體，以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的通信方式。使光可以在其內(nèi)部以波的方式傳輸?shù)睦w維狀介質(zhì)材料稱為光導(dǎo)纖維，簡稱光纖。只有當光信號在長距離傳輸過程中很少衰減的光纖才具備工程應(yīng)用的價值，而這就需要借助材料技術(shù)的進步來實現(xiàn)。

光束在最早的光纖內(nèi)傳播1 km后殘留的光束能量密度不足原來的萬億億分之一，因此沒有實用價值。20世紀70年代美國研制成了光束在其內(nèi)傳播1 km后殘留的能量密度能達到原密度1%的光纖制造技術(shù)，后經(jīng)過改進于1976年提高到了原來密度的89%。2002年日本住友公司制作光纖的技術(shù)可使光束傳播1 km后殘留的能量密度達到原來的95%以上，而傳送40 km后仍保有原密度的16%，且可以被光敏電子器件檢測到。因此，光纖可以連續(xù)傳送光信號40 km而不需要中間重新增強信號。隨后世界各國不斷發(fā)展新型光纖制造技術(shù)，使光纖的技術(shù)指標不斷翻新。激光的傳播速度極快，是發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)可以倚重的重要技術(shù)資源[31]。在醫(yī)學上，把一個發(fā)光的小探頭和細小的光纖制成內(nèi)窺鏡系統(tǒng)并插入病人的器官，就可以不必經(jīng)過外科手術(shù)直接、準確、快速地觀察和診斷疾病，如醫(yī)院的胃鏡檢查設(shè)備。相應(yīng)的技術(shù)也可以制成內(nèi)窺系統(tǒng)在航天航空、機械制造等工業(yè)部門用于設(shè)備和儀器復(fù)雜內(nèi)部部位的監(jiān)視、檢測和維修工作。

計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟發(fā)展才能催生信息時代的開始，而大規(guī)模集成電路和光纖都是信息時代關(guān)鍵性、代表性基礎(chǔ)材料。自20世紀70年代中期起大規(guī)模集成電路的發(fā)展日趨成熟；70年代初期光纖技術(shù)進入工程化階段，70年代中期光纖傳輸容量有了大幅度提高；70年代起開始出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并隨后形成了國際標準。這些技術(shù)的成熟和規(guī)?；l(fā)展極大地推動了人類社會的信息化進程。因此可以認為，人類的信息時代應(yīng)起始于20世紀70年代中期。從那時起，現(xiàn)代社會進入了第三次工業(yè)革命時期，人類的腦力勞動開始大規(guī)模地被計算機和互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)所取代，并獲得了巨大的經(jīng)濟效益。自此，第三次工業(yè)革命取代第二次工業(yè)革命成為了工業(yè)革命的主導(dǎo)潮流，信息材料的發(fā)展也成為了工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料。

4. 第四次工業(yè)革命及智能材料

在信息技術(shù)高度發(fā)展的基礎(chǔ)上，2013年德國政府提出工業(yè)4.0戰(zhàn)略，旨在推動工業(yè)生產(chǎn)由信息化制造轉(zhuǎn)向智能制造。這標志著人類第四次工業(yè)革命，即人工智能化時代的開始?？梢灶A(yù)見，智能時代的發(fā)展需要大量智能設(shè)計乃至智能材料的研究與開發(fā)。智能材料是指能感知環(huán)境條件參數(shù)的改變，且自身能以某種性質(zhì)變化或特定行為的方式作出響應(yīng)的材料[5]。感知環(huán)境條件參數(shù)的改變，并能以所設(shè)定方式作出不同程度響應(yīng)的技術(shù)稱為智能技術(shù)。環(huán)境條件參數(shù)可以包括力學、熱學、聲學、光學、電學、磁學、物理或化學氣氛等不同環(huán)境信息的改變[32]。智能材料本身并不具備生命體的智能，只是其行為與生命體的智能反應(yīng)有某些相似性。智能材料可以安裝于特定的器件或設(shè)備，以實現(xiàn)所需的智能技術(shù)。智能材料范圍內(nèi)的許多材料在用于智能技術(shù)之前就已經(jīng)存在，只是在智能時代更著眼服務(wù)于智能技術(shù)。智能材料均涉及與環(huán)境信息的交互作用，因此都屬于信息材料，它們只是信息材料中一個特殊部分，因而智能技術(shù)也屬于信息技術(shù)領(lǐng)域里面的一個特殊部分。

人類在不同的歷史階段都需要以各種材料技術(shù)的更新或發(fā)展作為關(guān)鍵的物質(zhì)支撐。盡管不同歷史階段都需要以多種材料技術(shù)為基礎(chǔ)，但往往更多地表現(xiàn)為基于某種關(guān)鍵材料生產(chǎn)技術(shù)的突破和發(fā)展。例如，第一次工業(yè)革命較多依賴于鐵器的大規(guī)模生產(chǎn)；第二次工業(yè)革命較多依賴于鋼鐵的現(xiàn)代化生產(chǎn)；進入信息時代后，雖然大規(guī)模集成電路、光導(dǎo)纖維等材料及其生產(chǎn)技術(shù)的工業(yè)化發(fā)展發(fā)揮了很關(guān)鍵的推動作用，但信息時代所依賴的材料技術(shù)范圍已經(jīng)變得寬泛和多樣化；進入智能時代的人類將面臨工業(yè)生產(chǎn)全面人工智能化的挑戰(zhàn)。不同的工業(yè)生產(chǎn)所需的智能材料會有很大不同，因此智能時代所依賴的材料技術(shù)將大幅度偏離主要依賴少數(shù)幾種材料的特征，而呈現(xiàn)出更加寬泛的多樣性。智能材料可以是已有材料、傳統(tǒng)材料的深入發(fā)展、新材料的高技術(shù)化改進和全新的材料體系等。這里，在至今已經(jīng)初露鋒芒、可視作支持智能時代發(fā)展的智能材料中例舉若干。

汽車是現(xiàn)代常見的交通工具，傳統(tǒng)的汽車用鋼需能夠支撐汽車的正常運行。在出現(xiàn)交通事故時如果汽車用鋼能夠把碰撞釋放出的能量轉(zhuǎn)換成其自身變形所需消耗的能量，從而顯著降低乘車人受到傷害的概率，則這種汽車鋼就成了智能化的交通安全用鋼[33]。玻璃通常是擋風、透光、承受載荷的物質(zhì)。如果玻璃能夠根據(jù)光線的強度信息、或其它熱、電、磁信號而自動調(diào)整其透光率，則就成了智能玻璃，例如用作汽車的窗玻璃[34]。智能時代會大量使用高運算效率的計算機，其關(guān)鍵部件仍是基于大量二進制比特電路構(gòu)成的大規(guī)模集成電路技術(shù)。如果材料加工技術(shù)能進一步降低單個比特電路的尺寸，則計算機等智能設(shè)備的運算能力就可大幅度提高。因此當今人們特別關(guān)注生產(chǎn)大規(guī)模集成電路的比特電路制作技術(shù)是否發(fā)展到10 nm以下的水平[35]。當今在−100 °C下出現(xiàn)超導(dǎo)電特性的材料具有非常重要的應(yīng)用價值，但保持超低溫度是一個比較耗能的技術(shù)。然而外太空的常規(guī)溫度范圍是−150 °C，如果發(fā)展出在這個溫度下帶有智能特性的超導(dǎo)材料技術(shù)，可對太空技術(shù)的發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐[1]。

當物質(zhì)的尺度降低到100 nm以下時可能會出現(xiàn)某種之前不存在的效應(yīng)，稱為納米效應(yīng)，由此發(fā)展出了納米材料技術(shù)。以厚度不到1 nm的單層碳原子面構(gòu)成的石墨烯為原料，可制成柔性透明的纖維板，用作柔性的電子設(shè)備觸摸屏，支撐人與電子設(shè)備的互動行為。讓氧化鋅納米絲密集地生長于紡織纖維的表面，則經(jīng)不同方式加工過的納米絲之間的摩擦做功就會轉(zhuǎn)變成電能。借助這種納米技術(shù)制成服裝后可在人們?nèi)粘５呐e動行為中摩擦發(fā)電，服務(wù)于不同的微型用電設(shè)備，為人們的生活提供舒適和方便[26]。兩種電性不同的物質(zhì)并聯(lián)后，若兩連接端有溫差則會產(chǎn)生電壓，稱為熱電效應(yīng)。以這種原理可制成溫差發(fā)電器件，用于許多特殊場合，例如外太空陽光發(fā)電、無光源環(huán)境下的放射線刺激發(fā)電、發(fā)熱裝置余熱發(fā)電等[1]。

在生物醫(yī)學中材料的智能效應(yīng)也日益得到廣泛重視。將材料制成某種特定初始形狀，隨后按照材料原理改變其形狀，在特定外界條件下該材料可恢復(fù)其初始形狀，稱為形狀記憶效應(yīng)，該效應(yīng)已經(jīng)被用于制作心臟冠狀動脈支架材料。醫(yī)用水凝膠是一種柔軟的、有良好的生物相容性的含水高分子材料。吸水后醫(yī)用水凝膠會增大，能減少周圍組織的摩擦損傷，可用作組織填充劑、藥物緩釋劑、接觸眼鏡、人工血漿、人造皮膚、組織工程支架材料等。人骨遭受損傷后在原支撐條件下有修復(fù)生長的能力，當損傷嚴重失去原支撐條件，則這種修復(fù)能力很難實現(xiàn)。如果在嚴重損傷部位植入可降解人工骨材料，首先可以維持原有支撐條件；另外其可降解特性使得在人骨修復(fù)生長過程中逐漸降解，不斷被新生骨所取代，致使損傷部位恢復(fù)到接近損傷發(fā)生前的骨結(jié)構(gòu)狀態(tài)。對于嚴重斷裂的開放性骨損傷，可根據(jù)損傷部位形狀的三維尺度(3D)打印制作出帶空隙、可降解人工骨網(wǎng)，并裝入損傷部位以支撐起損傷的骨結(jié)構(gòu)[36]，其空隙為人骨的修復(fù)生長留出空間，可降解的三維人工骨網(wǎng)會不斷降解，以便長出全新真骨。

相關(guān)實例，不勝枚舉。由此可見，第四次工業(yè)革命是一場用智能設(shè)施取代和擴張人的智力勞動的革命，其中許多智能技術(shù)或智能材料技術(shù)所表現(xiàn)出來的能力是人的智能尚無法直接實現(xiàn)的能力。

5. 結(jié)束語

工業(yè)革命是自人類近現(xiàn)代商品和市場經(jīng)濟發(fā)展以來持續(xù)出現(xiàn)的、用機器從各方面取代人力的一種技術(shù)革命，借以提高勞動效率和經(jīng)濟規(guī)模。工業(yè)革命可導(dǎo)致經(jīng)濟發(fā)達、國力強盛，其間材料技術(shù)的創(chuàng)新與進步始終發(fā)揮著關(guān)鍵性基礎(chǔ)作用。在歷次工業(yè)革命中，歐美國家一直發(fā)揮著引領(lǐng)作用。因歷史的局限，中國長期處于學習和跟進狀態(tài)，并正努力嘗試對工業(yè)革命的進程作出積極的、乃至創(chuàng)新性的貢獻。

文章來源——金屬世界