揭秘：复联3钢铁侠战甲中的材料黑科技！

最近上映的“复联3”火遍了全球，据说不出意外就可以提前预定全球票房冠军的宝座了。在影片中，钢铁侠的神勇给是最精彩的部分之一，本文就为金粉来点不一样的“料”，基于材料科学基础对钢铁侠新战甲的系统分析；并揭示制约纳米战甲发展的社会因素；以及分析如何加速智能材料研发？--材料基因的研发加速与产业链投资并购。

ARMOR-50系列战甲的智能材料技术细节探索

根据对电影的细节观察，后期HOT TOYS以及相关资料的研究，我发现MARK-50装甲可能会涉及到主要以下6种智能材料技术： 仿生自修复、变形、高吸能、轻量化、耐受极端环境、高密度储能。

其中，对于仿生自修复材料的印象尤为深刻。

刚开始看到TONY出场，发现他胸前凸起更多的能量反应堆感到疑惑（是不是有点丑？），对于钢铁侠这种自大的英雄，他对颜值和身材比例是有极度的追求的。

但当小辣椒提及：“如果你真的愿意隐退结婚，你就不会带着这个东西了。”这句话给后文装甲的出场埋下了伏笔。

在电影《钢铁侠3》中，TONY融入了绝境病毒的绝境装甲，可以随着神经元的连接，快速反应装甲装备，以及后期蚁人的出现，和黑豹项链纳米铠甲的展示，TONY应该及时升级了自己的装甲。

我们能看到，从最初的铁桶MARK-1，到半自动机械化装甲MARK-3，再到可远程组装的MARK-43以及可通过同步轨道卫星发射的MARK-44 HULK BUSTER（反浩克装甲），ARMOR的主要升级优先级逻辑是电子及机械系统稳定性>武器系统多样性>极端环境可穿戴性及适配性>原材料创新。

但在新生代的ARMOR-50 IRONMAN和SPIDERMAN系列，呈现出的是原材料创新>可穿戴性>适配性>多样性>稳定性。 不难理解，在经历了迭代多次后，AI-Jarvis一定有了更强的装甲战损统计，作战数据积累，数据清洗，英雄及敌方的数据模型强化学习等等大数据处理能力，所以稳定性和多样性可以模块化提高。但是因为遇到的敌人越来越离谱（变种人抑或是外星生物），都有着前所未有的挑战。

所以对于装甲本身的系统可靠性有了更多的要求，其必须适配至少囊括认知内，并且预测可防护认知外的能量源攻击。这个时候，原材料-武器的第一性原理的基础研发和实验就作为了首要攻克和投资的方向。虽说目前连钢铁侠MARK-1的可穿戴战甲技术可能都无法实现，但是根据STAN-LEE老爷子的脑洞去想想，这个学科交叉和方向并不会出太大的错误。

材料是工程的底层学科，同样是交叉学科。记得本科老师曾说过，材料从业者是科学家面前的工程师，工程师面前的化学家，化学家身边的物理专家，物理专家身旁的实验高手，可以用“万金油”来概括，毕竟知识血统的学科覆盖面确实不少......

言归正传

对于这张动图，观众一定不陌生。炫酷的装甲，首先以金属色的基础骨架包囊身体，然后再生长出纳米覆盖的装甲层，甚至可能嵌入了微电子系统，可以说这个细节真的让学习材料科学与工程的人感到兴奋。

每一个瞬间，可能就是自己在实验室千万次的场景，看着材料晶胞在高倍数显微镜下的动态生长，抑或是夜晚难寐，在脑海中的动态实验模拟过程，亦或是静态的SEM图像观察......

笔者才疏学浅，无法准确定义这个动态过程，到底属于自修复抑或液态金属变形，总而言之，就是酷！说不清具体机理，毕竟有CG的支撑，还是有片段可以猜测一些可能用到的现有技术的升级衍生。

在对仿生自修复和液态金属复合材料进行介绍之前，想先定义下复合材料和智能材料的概念。

复合材料（来源维基百科）：

复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 复合材料由连续相的基体和被基体包容的相增强体组成。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、单晶晶须、金属丝和硬质细粒等。同时60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106cm，比模量大于4×108 cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，这种复合材料被称为先进复合材料（新材料，Advanced Composites Material，简称ACM）。

ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高（低）温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。

智能材料（来源：易材在线）

智能材料还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。

总体而言，智能材料具备以下特征：

• Perception | 感知，能够检测并识别外（内）部的刺激强度；

• Driven fuction | 可响应外界变化；

• Coded by inventors |  按照设定方式选择和控制材料相应

• High sensitive | 反应灵敏及时恰当

• Fast recovery | 刺激消除后，迅速恢复原始状态

说到这里，是不是感觉智能材料自身就是一个闭环系统？可以参考自动驾驶的技术系统，会发现非常有趣的雷同，如下图（来源：Computer Architectures for Autonomous Driving）

接下来说说智能材料的构成：

（1）基体材料：负责承载，轻质。主要以高分子材料为主，轻量化，耐腐蚀，同时具备非线性的粘弹性特征。次要可选择轻质有色合金。

（2）敏感材料：负责感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用：如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

（3）驱动材料：一定条件下可以产生较大的应变和应力，负责响应和控制。常用如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

（4）辅助材料：因应用场景而异，属于性能增强的作用，包括导电、磁性光纤和半导体材料。

从非官方的定义可以看出新材料抑或是智能材料，同样具备轻量化、耐受极端环境的特征。不同的智能材料的自发式相应特征，给了材料从业者更多的研发想象空间。

介绍完智能材料，在这里再介绍下智能材料集成系统：（来源：Material-Integrated Intelligent Systems）

此图在PART2中主要展示了，智能材料集成系统的系统工程架构图。传感器和信号数据处理，是系统集成的第一步，再嵌入基体材料中。同时完成网络和通信的交互，再解决能源供应的问题，整体的应用场景就可以完成了。整个钢铁侠的系列装甲，顶层机械系统设计的方向可以说就是基于MIIS开发的。

所以暂时把MARK-50系列战甲的材料技术领域归为智能材料。若有偏颇，请联系訾垚，我向您请教。那么目前，我们可以认为ARMOR-50战甲是一定具备轻量化和耐受极端条件（极端温度，酸碱度，超失重，）的特征的，这从MARK1到3，再到反浩克装甲的迭代可以看出。

那么在这里，我想主要着重深入MARK-50装甲仿生自修复和高吸能的材料属性。（专业知识有限，只接触过这两个场景，储能和变形材料不敢妄议。）

关于仿生自修复材料：

自修复材料是学术术语，如果再追本溯源，其应该来源于20世纪80年代中期。人们希望可以制作出智能纤维，智能纤维的构思来源于仿生学，一般从仿生学、分子设计、复合技术三方面达到自修复、自调整、自诊断、自适应、自恢复等功能。

可以说自修复材料就是聚合物基自修复复合材料，对于这种材料其主要自修复方法有本征性自修复和外援型自修复。两者区别在于自修复体系是否需要外加修复剂，外源性自修复通过在材料体系内外加修复剂实现自修复功能。

对于MARK-50展示出的自修复特征，是一个非常复杂的过程，不好定义是否为外援或本征。

但是钢铁侠在差点被灭霸KO的时候，装甲是有局部战损的，可以看出其材料自修复次数有限，其自修复因子若想保持性能，可能是需要持续添加修复剂的。

姑且暂定为外援型自修复吧。下面对外援型自修复做一个微小的系统性介绍（来源：纺织导报）：

• 中空纤维自修复

其机理为：将中空纤维埋植在基体材料中，空心纤维内装有修复剂流体，材料发生破坏时通过释放空心纤维内的修复剂流体粘接裂纹处实现损伤区域自修复。

• 纳米粒子自修复

自修复机理为：当材料产生裂纹时，纳米粒子向裂纹区域扩散（纳米粒子尺寸越小扩散效果越好），扩散后的纳米粒子相将裂纹处填充从而起到修复的作用。

• 微胶囊自修复

  
  

微胶囊自修复聚合物材料于2001年首次提出，在之后的十几年中成为科研学者们的研究热点，并已成为目前最主要的自修复方法之一。其自修复机理为：将内含修复剂的微胶囊埋入聚合物基体材料中，同时在基体中预埋催化剂（也可将催化剂微胶囊化后埋入基体材料中），材料产生裂纹后，裂纹的扩展导致微胶囊破裂，释放出的修复剂在虹吸作用下向损伤区域扩散，遇到催化剂后发生聚合反应修复裂纹。

• 微脉管自修复

微胶囊自修复体系虽然是目前应用最广泛的，但其只能实现单次修复，与理想的自修复材料相比还存在差距。与其相比，2007 年首次实现的微脉管网络自修复体系通过模拟生物体组织自愈合原理，通过在材料内部埋入具有三维网状结构的微脉管，可实现修复剂的持续补充，因此可实现材料损伤的多次修复。

• 碳纳米管自修复

碳纳米管作为材料自修复体系，其修复机理为：将埋植在基体材料内的碳纳米管充当容器，在其内部储存修复剂分子，当材料产生裂纹时碳纳米管破裂，修复剂释放出来后吸附在裂纹处或在裂纹处发生化学反应粘接裂纹实现自修复功能。碳纳米管自修复体系是理想的自修复材料体系，但目前仅处于计算机模拟阶段，没有真正的实验研究，预计将来会得到很好的应用。

大胆猜想：

上述外援型自修复机理（被动式自修复机理：我自己定义），最接近MARK-50的自修复效果的可能就是碳纳米管自修复，虽然还在Simulation的阶段，但在目前材料基因学（组合材料学）的学者们的努力下，一定会有嵌入感知器的智能自修复材料出现，甚至可以进行损伤源团簇的定向自修复等基于强化学习的自我升级的材料诞生。

在开始高吸能复合材料的介绍前，请大家先看看这个动图.....

在灭霸本来魁梧的身躯下，挨顿揍就挺不好受的了......再加上力量原石，那这基本上对于大部分肉盾型超级英雄也是吃不消的......小蜘蛛疼吗？

我不知道......但是这样的重击还没有战损，除了自修复功能之外，吸收高能量的功能一定是战甲必备，并且对于战斗场景是必须的。

笔者目前对高吸能材料（泡沫材料、剪切增稠液等）有一些了解，在这里不做过多综述，主要对目前现有的剪切增稠液做一个简单的介绍：

剪切增稠液是由分散相和分散介质组成的分散体系，分散相为固体微颗粒"分散介质为低分子有机或者无机液体，分散相体积分数一般在40%以上。

剪切增稠液主要分为两大类，一类是由纳米粒子为分散相的胶体体系如气相二氧化硅，纳米碳酸钙等。

另一类是由亚微米或者微米级的粒子为分散相的悬浮体系，如亚微米的二氧化硅、亚微米的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微米级的淀粉等。PS：PMMA就是常用的玻璃替代品（有机玻璃）。

上图展示了两类剪切增稠液由于分散相颗粒尺寸存在数量级的差异，表观行为也有显著差别，前者一般表现为连续性的剪切增稠(Continuous shear thickening)，后者在高浓度的状态下会出现非连续性剪切增稠(Discontinuous shear thickening)。

剪切增稠机理：

有序到无序（熵增系统，吸收能量），粒子簇（Cluster）和粒子堵塞机理。其中粒子簇机理很好的解释了连续性剪切增稠的过程，但是对于非连续的剪切增稠体系，粒子堵塞机理就更量化的解释了。

目前剪切增稠液的应用：

Mahfuz等用改性二氧化硅制备剪切增稠液，利用该剪切增稠液与Kevlar织物制备复合材料,与未改性二氧化硅制备的剪切增稠液相比,这种剪切增稠液可以大大提高织物吸收能量的能力。

说到具体应用，需要提及两个重量级的产品：D3O和P4U。

D3O是一种工程定向设计的材料, 确切的分子结构还属于商业秘密。根据研究人员的介绍，这是一种由黏性流体 (viscose fluid)和聚合物 (polymer)所合成的材料，具有“应变速率敏感性” (strain rate sensitivity) 的特殊性能。

在正常情况下，材料中的分子间只有很弱的连接力,并且可以自由运动,所以材料柔软、可弯曲；当突然受到外力的冲击而变形时,就会引起材料中分子间的连接力增强，可自由运动的分子立即被冻结，使材料变得非常坚硬，吸收冲击能量,成为具有保护性的盾牌，冲击结束后，材料又恢复到原有的柔软状态，这一过程是瞬时可逆的。

目前已经应用在了运动护具、军队武装、还有3C产品保护壳上。P4U是中国版的D3O，P4U取名于“Protection For You”，为你保护的意思，侧重于各种冲击防护：防撞、防摔、减震、吸能、缓冲。颜色为代表中国的红色。

P4U的适用性更强，具有更强的耐候性，既能采取封装的形式使用，也能通过模具加工成固定的形状，所以适用面非常广，它的用途除了个人防护之外，还包括汽车碰撞防护、新能源汽车电池保护、建筑桥梁速度锁定器、阻尼器、机器人仿生肌肉等。

机器人仿生肌肉，是不是联想到了钢铁侠的这个护甲？

看着真疼......但是应该吸收了不少冲击了。

大胆脑洞：

目前剪切增稠液的纳米材料正在研发中，有学者甚至想到把自修复材料和STF结合起来，应用到综合的工程场景，恩师杨晶磊教授的一篇高质量文章就提及了这个大胆的想法：

应用材料纳米化，智能化，一定是目前智能材料的研发战略和方向！钢铁侠的牛逼战甲一定可以成为现实！

纳米战甲可能暂时做不出来的原因

笔者认为原因有三。

产业经济:

脱离产业链谈生意就是耍流氓。根据AMC曲线，新技术都有一定的发展周期，没有人能够打败时间，也只有时间才可以考验技术的可靠性。对于新材料公司而言，从idea到决定创业，到产品面世，再到规模化生产，最终成为一家大同上下游产业链的成熟企业，这个过程往往非常艰辛。不仅仅是对材料概念和性能的考验，更是对人性的考验。 M2，PMI以及世界宏观经济等指数显现出的现有经济环境，都没有给长周期行业一个良好的孕育摇篮啊。

人力资源:

互联网公司、投行、咨询等待遇优厚，社会认可度高的企业，惯坏了大部分70，80，90甚至00后。往往选择毕业从事高端制造业的少之又少。人才的稳定性和企业文化的粘性，困扰了一批又一批实干家。

产业链上，材料这个行业的平均工作年龄在逐年增长。人才流失与吸引力不再，甚至因为人力成本提高的原因，如今招募一些可靠的技工都是一将难求的。匠人精神，是需要数代人传承的，AI的出现，同时冲击着高端制造业的人力资源体系。如海康威视的AGV机器人在做着基于人工智能的包裹分拣，ABB的机械臂冲击着曾经的焊工、钳工等铁饭碗。

AI还暂时不能替代创物，所以人还是研发的第一生产力。

政策:

即便国家扶持政策，制造业2025等等，还是不能缓解产业的压力。

如何加速智能材料研发？

--材料基因的研发加速与产业链投资并购

奥巴马曾经在任时，将MGI材料基因作为国家战略，再次在政府报告中将材料创新调整至国家战略。学术界相应的都一拥而入，国内目前也在设立巨型的材料基因研究基金，鼓励学术界与民间进行材料基因的加速研发。

简单说下材料基因的用途是什么，主要利用AI+高通量材料实验对现有材料进行大数据分析，同时随着强化学习，迁移学习等AI技术发展，可能对材料进行模拟合成和高通量试错。这就大大节省了材料研发和试错实验的成本。

3D打印（增材制造）解决的是工程设计的时间成本优化，MGI的用途就是加速工程设计之前，原材料的生命周期缩短。只有这项技术得以高速发展，钢铁侠的纳米装甲才能得以快速实现。

新材料在线对于材料企业的投融资有一些整理：

 

上述为国内和国际对材料投资有布局的VC和PE机构。对于材料企业融资并购方面，因为没有参与过材料投资（仅参与过TMT并购），暂时没有资格讨论。只能说目前比较现实的盈利或者生存模式，就是被巨型上市集团并购和IPO两个退出的渠道，智能材料的市场，目前以概念为主，真正投入市场运营的，屈指可数啊。

材料是一个动态的行业，投资逻辑同样也是以动态周期性因子的风险控制为主：

对于未来的智能制造畅想，加入了AI后，则呈现出以下的一个矩阵态势。制造业的AI应用，则是以数字化改革开始的，在制造过程控制，先前制造产品的数据分类，统计，回归等分析出可以AI改造的特定流程。在针对性的场景下，嵌入AI技术，实现“智能”制造。具体的例子，比如用卷积神经网络，识别半导体产品的表面缺陷等等。

总结：

钢铁侠纳米战甲的实现，是很多材料人的目标甚至是梦想。发明材料容易，应用难，发展更难。