漫画人物金刚狼的自我修复能力已经不再是想象。世界各地的研究人员正在研究自愈材料，其用途广泛，从耐腐蚀涂层到人造肌肉[2]。

在当今的现代技术中可以找到自然界的许多元素。自我修复材料的类别是受具有固有修复能力的生物系统启发的。有机体的治愈和重塑方法是由化学信号引发的。这会触发炎症，然后闭合伤口。因此，该过程首先在组织水平支持的分子水平上进行[1]。在工程材料模仿此功能的情况下，开发了类似的方法。

图1：修复的合成和生物学途径[3]。

甲自愈性能在工程材料被定义为“有能力修理损伤和恢复使用固有的可用资源到系统丢失或退化的特性[3]”。由于磨损和损坏是其应用的一部分，所有材料最终都将失败。自愈材料提供了通往更安全，更持久产品的道路。

自愈材料的种类

2001年，伊利诺伊大学香槟分校的Scott White及其同事报告了第一种自我修复材料[4]。利用内部嵌入的粘合剂进行修复的材料属于聚合物的材料类别。从那时起，世界各地许多研究小组开发了自我修复材料，这些材料采用独特的方法来实现相同的功能。这些可以大致分为以下几种类型：

1. 聚合物：由于它们提供的广泛性能，它们是使用最广泛的材料系列之一。但是，在使用过程中，在正常的老化和磨损下，它们往往会产生小裂纹。这种磨损导致机械性能下降，并最终使材料无用。这导致了自愈聚合物和水凝胶的发展。

2. 涂层：通常用于保护表面免受磨损。自愈涂层已经发现了商业应用，日产公司的耐腐蚀涂层就是一个例子。

3. 陶瓷：结构陶瓷有时会出现自修复现象，以恢复机械性能。在陶瓷的情况下，可以使用各种不同的自愈方法。

4. 金属：金属的自愈特性不如其他类别的材料发达。研究人员目前正在计算机上研究该过程，并开发出可能的自修复金属设计模型。

自我修复的方法

可以采用几种方法在工程材料中实现自我修复。这些方法的不同之处在于抓住修复功能的机制不同。可以修复的损坏程度，过程的可重复性和恢复率也取决于所采用方法的类型。自我修复的方法可以大致分为两类：

1. 内在的自我修复：当不需要外部试剂进行材料修复时；

2. 外在的自我修复：需要外来物质触发修复过程时。

在随后的部分中的讨论将集中在自愈聚合物和水凝胶上。

内在的自我修复

聚合物有时在基质中具有固有的可逆键。当材料受损时，这些会触发愈合过程，这种方法称为内在自愈[3]。可以通过以下途径实现：

• 热可逆反应

• 离子键偶联

• 分子扩散

图3：通过不同方法实现的内在自我修复[3]。

外在自我修复

在外在的自我修复方法中，使用微囊或血管系统将治疗剂从聚合物基质中分离出来。当材料损坏时，这些物质被释放，以促进对象的愈合和恢复特性[3]。这些系统可以细分为以下类别：

1.基于胶囊的自我修复：在某些聚合物中，治疗剂包装在离散的胶囊中。当材料损坏时，胶囊中的内容物被释放，愈合过程开始。由于这些胶囊的生产易于工业化，因此可以使用许多封装技术。为了使材料愈合到可接受的水平，应提供足够的愈合剂来填充裂缝。胶囊的重量分数和尺寸是根据材料可能会经历的近似裂纹尺寸确定的。基于胶囊的自我修复中涉及的其他关键因素包括：

• 愈合剂与基质之间的粘附力

• 愈合剂的浓度

• 释放速率和聚合速率

• 胶囊壳厚度

图4：基于胶囊的自愈材料的示意图[3]。

2.血管自我修复：通过这种方法，将治疗剂存储在相互连接的毛细管或空心通道网络中。这些毛细血管通常是脆性的，损坏会迫使治疗剂脱离。使治愈剂在母体材料的工作温度附近流动是必要条件。真空辅助技术用于用愈合剂填充互连的血管系统。几个参数，如管材料，厚度，和空间分布是关键的，以确保高的愈合效率。

图5：基于血管的自愈材料的示意图[3]。

评估愈合情况

开发自我修复材料的主要目的是克服材料在其正常运行过程中遭受的损坏。这可以通过填充损坏的体积并重新形成断裂的键以恢复性能，特别是机械性能来实现。

• 治愈效率的量化：许多参数可用于量化治愈的有效性。材料特性（主要是机械特性）的变化比率是最常用的因素之一。

• 母体材料的机械性能通过动态力学分析（DMA）和原子力显微镜（AFM）等技术进行表征。试样断裂，并进一步表征和记录机械性能。然后将这些用于量化材料的愈合效率。

应用及未来前景

可以轻松想象自愈材料的各种应用。世界各地的工程师和设计师都逐渐意识到它们的好处，并开始将它们用于各种应用。它们目前用于从日产的耐刮擦涂料到自修复混凝土的各种应用。

受成骨细胞促进新骨形成的启发，代尔夫特理工大学的荷兰科学家开发了自愈混凝土[5]。他们用能够产生石灰石的细菌的胶囊包埋混凝土。裂纹的产生使细菌暴露于空气和湿气中，继而开始产生方解石。这甚至可以密封微裂纹，从而防止其可能的增长。这只是材料的自愈特性可以解决一个长期问题的众多例子之一。

这些材料的潜在下一代应用是无限的。它们可以在机械故障后用于机器人的自我修复，延长电池寿命等。尽管如此，在我们将这些挑战用于此类高级应用程序之前，仍然存在许多挑战。随着对这一领域知识的不断增长，有一天我们甚至可能会开发出一种自我修复的材料，其功能就像虚构的漫画人物金刚狼一样。