隨著科技的高度發展，電機與資訊產業不斷地的創新，似乎在大眾眼裡，結構工程仍然是個傳統產業，跟不上時代的腳步。然而，在此印象的背後，有一群專家與學者嘗試著將各領域的技術做結合，帶領著結構工程邁向下一個世代。為了打響名號，他們創造了一個新的字眼「智慧型結構」。 智慧型結構泛指透過新型的材料、先進的量測技術及致動裝置所衍生的結構系統。新型材料包括了形狀記憶合金（shape memory alloys）、磁流變（magnetorheological）材料、壓電（piezo-electrics）材料、鐵電體（ferroelectrics）、熱電（thermoelectrics）材料、光電（photovoltaics）材料、儲能（energy storage）材料、自行復原（self-healing）材料及多功能（multifunction）材料等；近年來的先進量測技術包括非破壞性檢測、影像處理、光學量測技術及無線感測網等；而常見的致動裝置為伺服油壓致動器、伺服氣動致動器及伺服電動致動器，先進的致動或控制裝置包括了壓電致動器（piezoelectric actuator）和磁流變阻尼器（magnetorheological damper）等。經由這些技術與知識的結合，創造了各式各樣的應用，給予傳統結構工程注入了新生命。
當前的科技潮流出現了一個新名詞 – 工業4.0，有些人把它稱為第四次工業革命，主要是以整合資訊、電機、機械等技術為前提，建立具備自我適應性、網際網路的溝通與服務及巨量數據分析的智慧型工廠（Smart Factory）。但這樣的概念，是否可以應用於結構工程中？眼觀過往智慧型結構於結構工程中的發展，把各工程領域的知識與技術整合起來，應用於土木結構之中，其實這些結構工程專家早就體認到跨領域整合的重要性，而這些智慧型結構相關的研究，也可視為未來結構工程發展的基礎。
如何透過工程領域的整合，讓結構工程能夠跨足到工業4.0？最直接的辦法就是將網宇實體系統（Cyber-Physical System，另譯為虛實整合系統或智慧整合感控系統）與物聯網（Internet of Things或Internet of Everything）納入智慧型結構之中。以下將針對應用的實例，說明如何將網宇實體系統併入智慧型結構中，並在本文最後描述智慧型結構的未來與展望。 樓房結構主動隔震技術台灣身處於環太平洋地震帶上，地震為台灣不可避免的宿命。為了使重要樓房結構能夠在地震作用下受到保護，加裝能夠消散地震能量，或是能夠有效隔絕地震對樓房結構的裝置是必要的。在地震工程的方法中，透過在樓房結構基底加裝柔性裝置如隔震支承墊，能夠放大結構自然振動週期，並遠離地震主要頻帶，減低上部結構的反應，達到保護結構的作用。然而，這樣的被動控制方法仍有缺失，當大地震來臨時，結構基底位移必須急遽地放大，以達到隔震的最佳效果。結構於基底產生大位移時，可能會有結構不穩定的疑慮，因此額外加裝控制裝置與隔震支承墊搭配是必須的。主動隔震是一種結合主動控制器與隔震支承墊的控制手段，不但可以有效降低被動隔震產生的大位移，同時也可以保持被動隔震對上部結構的控制效果，為一種兩全其美的控制方法。
實現主動隔震的控制方法是一個既複雜又兼具挑戰性的工作。首先，對於結構本身的動力行為要有一定程度的掌握，設計相應的隔震支承墊與主動控制裝置（如伺服油壓致動器），透過系統識別的方法建立結構與控制裝置結合的模型，利用該模型與控制演算法求得符合控制目標的控制方法，加上可靠的感測器、即時控制運算器及資料擷取系統，完成整套主動隔震控制的建置。
基於無線感測網路的結構健康監測系統 重要基礎結構設施如橋樑、建築物、水壩、維生管線等，必須在一直保持該有的功能，一旦其中某一設施產生破壞或倒塌的狀況，將對人民生命財產與社會經濟造成極巨大的衝擊。為了預防此類型的災害，工程界採用大量的感測器與演算法，力圖創造一種可以識別結構損傷的系統，稱為結構健康監測系統。
香港青馬大橋、汀九橋及汲水門大橋在1997年安裝與啟用一套具有約900個感測器的結構健康健測系統（Wind and Structural Health Monitoring System），其中包括了應變計、GPS感測器、加速規、位移計、溫度計等，總價超過一百萬美金，目的是用來保證結構的安全，並且確定用路人的舒適度。這套監測系統為24小時連續不斷量測結構反應，並且結合預警系統，透過資料擷取系統的中央電腦，做即時的資料處理與分析，一旦橋樑受到強風侵襲具有危險性時，預警系統將會提醒並幫助政府機關做出最適時的判斷與處置。 相較於香港的有線健康監測系統，美國伊利諾大學與韓國合作於Jingdo 橋上佈設無線感測網路系統，嘗試利用此系統運行長期性監測。此無線感測網路系統具有低成本、易安裝及精準量測的優勢，透過模組化的方式增加其應用性，運用服務導向的架構簡化軟體的開發，考慮用太陽能與風力和電源管理延續自主運行的時間，加上容錯檢測的功能，完善整個感測網路，實現長期無線感測系統。於2010年，透過這套無線感測網路佈設了113感測結點與669感測器，為當今於大型結構物中最大規模的無線感測網路。在運行期間，也成功監測結構在強烈颱風下的變化，並且成功觀察到斜張橋塔與大樑上的應變變化，利用加速規的紀錄獲取模態上參數（如自然頻率與振形），所有資料也透過網際網路的傳輸，儲存在遠端的資料庫中，這樣成功的案例，為未來無線感測網路的應用，開啟了新的一頁。
無線感測網路系統現在雖僅可以處理與運行簡易的結構健康監測演算方法，未來將透過雲端運算的技術，來達到同時監測與預警的效果。另外，對於區域型的基礎設施安裝無線感測網路，透過雲端的服務與存於雲端的模型，對基礎設施的性能做整體性的估計。這樣的感測系統，運用了嵌入式的平台，做基礎的運算、驅動各個模組及運行感測和傳輸的功能，並透過網際網路把量測的資料與處理的數據傳送到後端，有利於做後續的判斷與決策，為次世代的網宇實體系統於智慧型結構的應用。 利用先進實驗技術評估結構性能隨著結構型式日趨複雜，結構的規模越來越大，透過傳統縮尺實驗的方法，不容易評估結構的性能，勢必得開發更先進的實驗方法，幫助研究複雜結構整體與重要構件的行為。近年來，混合模擬（或混合實驗，Hybrid Simulation or Hybrid Testing）在歐美實驗室蓬勃發展，透過數值運算與實驗的手段，進行全尺寸全方位的實驗性研究。在地震工程領域，全美共有14個由美國National Science Foundation資助的地震工程聯網實驗室，其中有加州大學柏克萊分校、伊利諾大學香檳分校、紐約大學水牛城分校及理海大學發展混合實驗，透過這樣的實驗手段來對結構做整體性的分析與觀察。不僅僅是於地震工程的應用，這樣的方法也可以拓展到其他結構工程的問題上，如土壤與結構互制、結構受強風作用下的行為、結構受到河流或海嘯侵襲下的行為等。
混合模擬顧名思義是藉由數值分析與實驗手段的結合，把結構行為不容易理解的部分，透過實驗的方法做測試，同時間數值模擬分析其他結構的部分，形成一種全盤性的混合模擬。相較於振動台，此實驗方法較不受試體載重與尺寸的限制，與傳統擬靜力的實驗相比，這實驗方法可以兼顧結構整體的行為，所以混合模擬合併了準確性與成本效益。以美國伊利諾大學香檳分校的實驗室為例，該實驗室開發了一整套的實驗平台，其中結合了加載裝置的控制技術、開發了合併模擬與實驗的自動執行軟體，配合資料擷取系統與先進光學量測儀器，透過網際網路溝通的技術，把所有的元件串連而成為一個完整的混合模擬平台。這樣的實驗平台，將各個領域的知識與技術做系統化的整併，讓傳統的實驗設備有更高的變通性，並且讓使用者可以更深入的探索結構的特性與行為，也是為一種在網宇實體系統下的智慧型結構應用。 智慧型結構系統的未來與展望
未來智慧型結構的發展，勢必將會朝向建置一個具有高度恢復力的基礎設施系統（Resilient Infrastructure System）。高度恢復力的基礎設施是指在現有的基礎設施系統下，使這些設施可以有效減低災害造成的傷害，在災害過程中與災後都能保持原有的基本性能與功效，在災害過後得以快速復舊。為了實現這樣的系統，可以藉由三種智慧型結構的技術來進行，包括了結構保護的對策（structural protection strategies）、結構健全性評估（structural integrity assessment）及智慧型感測網路（smart sensor network）。再者，為了能夠對這些技術所開發的元件進行相應的評估與驗證，此高度恢復力的基礎設施系統必須包括了整合性模擬平台（advanced simulation platform）、先進的實驗測試方法（innovative experimental testing）與雲端資料庫管理（cloud database manager）。對於結構保護的策略，未來必須更加拓展半主動與主動控制的研究，藉由感測網路與高速運算的能力，強化對結構與結構中功能性設施進行保護；針對結構健全性評估，未來必須著重在分散式健康監測演算法的開發、適合快速佈設的監測能力與可以即時模型修正的方法建置；至於智慧型感測網路，未來將會發展次世代感測系統，其特色是結合了物聯網的概念，配合分散式的感測方法、強化感測元件的自主性與整合性、開發階層式的感測網路及具有多工運行的能力，最後達成適合大量佈局和易於在各式各樣的結構中應用的效果。關於整合性模擬平台，未來將聚焦在高效率且可靈活運用的模擬環境，藉由模組化的方式，加速結構的數值模擬；對於先進實驗技術的發展，未來將以即時性的混合模擬為中心，開發具有多自由度與多點加載的實驗能力，以利對結構行為的掌握；而雲端資料庫管理，未來將朝向整合過往的實驗資料與已開發的數值模型，透過雲段運算與儲存的技術，方便研究學者與工程師進行複雜結構的相關模擬，增進結構分析與設計的效能。因此，智慧型結構將會隨著工業4.0的腳步，讓整體結構與基礎設施邁向更為永續的未來。
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