道路似乎總是需要維修，普渡大學萊爾斯土木工程學院（Purdue’s Lyles School of Civil Engineering）副教授 Luna Lu 透過「智慧混凝土」（Intelligent Concrete）賦與混凝土「交談」甚至自我修復的能力，進而減少道路維修的頻率及成本。 

她在普渡大學實驗室裡正在開發一項技術，可使混凝土鋪砌的橋梁和高速公路在需要維修時能更精準地顯示建物狀況的相關訊息，並添加能夠因應潛在損壞的材料。「我們正在研究如何使用能夠駕馭 AI 人工智慧和大數據的材料和感測器來解決基礎設施方面的問題，」Lu 表示：「這個想法在於讓基礎設施具有適應性、可持續性和復原能力。」

根據美國道路暨運輸界協會（American Road and Transportation Builders Association，ARTBA）2020 年報告指出，美國有超過三分之一橋梁需要維修。如果更能了解新混凝土何時完全凝固而能應付繁忙交通，便能防止過早重新開通道路造成路面出現裂縫。預防裂縫意味減少更換新混凝土的修復工程，並將減少工程造成的交通堵塞。

2019 年，Lu 與美國印第安納州交通運輸部（Indiana Department of Transportation）合作，將實驗室開發 3 顆感測器嵌入印第安那州高速公路。這些高速公路包括印第安那州首府印弟安那波利斯（Indianapolis）附近的 465 號州際公路（Interstate 465, I-465）、普蘭菲爾德（Plainfield）附近的 70 號州際公路和貝茨維爾（Batesville）附近的 74 號州際公路。

感測器數據有助於路面修補建路面工程之後，建議開通交通的最佳時間，並持續追蹤混凝土狀況。Lu 的團隊正與美國聯邦公路管理局（Federal Highway Administration，FHWA）合作，在其他州實施這種混凝土感測器。

可混入混擬土並引發連串修復過程

嘗試讓混凝土具溝通能力同時，Lu 和實驗室正在開發自我修復的方法。自我修復混凝土在嚴冬期間特別有用。美國中西部的公路，冬天讓混凝土持續歷經結凍與解凍的循環。當溫度降至華氏 32 度（攝氏 0 度）以下時，路面水分子就會結凍並膨脹，導致混凝土裂開。龜裂經過幾次冬天後會形成更深的裂縫。

Lu 實驗室正在研究稱為「內部養護劑」（Internal Curing Agent）的不同類型多孔隙、沙子狀材料，以便混入混凝土。當混凝土龜裂，養護劑能吸收水分並發生連串化學反應。化學反應會產生能封補裂縫並修復混凝土的固體物質。修復過程還能防止水滲入混凝土，進而避免鋼筋或鋼筋加固工程遭鏽蝕。

「透過使用自我修復材料，我們可使基礎設施具備適應溫度變化的能力」，同時擔任美國混凝土舖面協會（American Concrete Pavement Association，ACPA）混凝土鋪面與材料科學學者 Lu 表示。

運用 AI 和大數據，辨識並調配未充分使用的車道

目前 Lu 和其他研究人員也正在思考智慧基礎設施如何影響和適應人類行為。「交通總有方向性。傳統想法是增加車道，但 AI 和大數據可辨識出未充分使用的車道，並將交通流量轉移至空車道。我們正在開發不增加車道的情況下更能控制交通的技術。」Lu 表示。

智慧基礎設施是新興領域，透過與其他大學合作，Lu 致力於將研究人員和所需資源聚集，以便讓此類基礎設施大規模開展。Lu 目前負責帶領智慧基礎設施中心（Center for Intelligent Infrastructure），滙集普渡大學研究人員材料、感測和人工智慧等多門學科領域的專業知識。她還與多州交通部門合作，協助建立第一個中西部智慧基礎設施聯盟。

「我們可齊心協力收集更多資料，以找出使基礎設施更安全、更具彈性的最佳方法。我們可開發演算法，以找出未來基礎設施的結構性弱點。」Lu 表示。

（首圖來源：普渡大學）