01　可編程，新材料的未來

早在18世紀(jì)初，英國木匠兼鐘表匠約翰·哈里森（John Harrison）就解決了當(dāng)時(shí)海員們面臨的最為棘手的難題之一：如何在海上航行時(shí)計(jì)算經(jīng)度？這一問題對航海來說至關(guān)重要，而且一度讓所有人覺得解決它的希望渺茫，英國議會甚至提出可以為任何能找到實(shí)際解決辦法的人提供高額現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。隨著全球貿(mào)易的增加，海運(yùn)越來越頻繁，船員們必須準(zhǔn)確了解船只相對于地球水平軸的位置。由于受到海上惡劣條件的干擾，計(jì)時(shí)器和導(dǎo)航設(shè)備不穩(wěn)定且不可靠，所以，當(dāng)時(shí)航海的方向極其不精確，因迷失方向而發(fā)生的沉船事故比比皆是。

科學(xué)家和其他人在試圖解開這一謎題時(shí)，依靠的是天文學(xué)、數(shù)學(xué)，甚至魔法。令人驚訝的是，哈里森的解決方法十分簡單且巧妙。他用木頭、金屬和其他簡單的材料及零部件制作了一個(gè)“海上鐘”（sea clock）。這個(gè)海上鐘能根據(jù)給定的參考位置可靠地記錄時(shí)間，這樣水手們就可以根據(jù)該時(shí)間與當(dāng)?shù)貢r(shí)間的差來計(jì)算自己的位置。大海不斷運(yùn)動(dòng)，環(huán)境不斷變化，機(jī)械鐘表的誤差不斷累積，這些因素共同導(dǎo)致之前類似海上鐘的發(fā)明嘗試都失敗了。但是哈里森考慮了材料的膨脹和收縮原理，將機(jī)械裝置設(shè)計(jì)成能夠自然地適應(yīng)溫度、壓力、濕度和物理運(yùn)動(dòng)等的哪怕最微小的波動(dòng)。作為一名技藝精湛的工匠，哈里森明白，無論天氣如何惡劣、海上環(huán)境如何變化、設(shè)備如何移動(dòng)，能夠讓海上鐘長時(shí)間保持完美時(shí)間差的關(guān)鍵，就是材料能隨外部條件動(dòng)態(tài)變化且具有完美的適應(yīng)性。

哈里森的發(fā)明又被稱為航海計(jì)時(shí)儀，它不僅徹底改變了海上航行方式，還改變了我們研究材料的角度，使我們認(rèn)識到材料能夠以智能的方式來適應(yīng)環(huán)境。哈里森演示了如何利用材料特性來解決眾所周知的設(shè)計(jì)和工程問題。從那時(shí)起，日常生活中的眾多新設(shè)備就都應(yīng)用了這種基于材料的設(shè)計(jì)機(jī)制。例如，恒溫器可以利用雙金屬結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)室溫或保持發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行溫度；有些牙齒矯正器由鎳鈦諾制成，鎳鈦諾是一種鎳鈦合金，可以根據(jù)體溫的變化將牙齒矯正到精確的位置；支架等救生醫(yī)療設(shè)備使用的也是雙金屬結(jié)構(gòu)，可以從一種形狀轉(zhuǎn)變成另一種形狀。此外，通過在高溫下以加熱和塑形方式在材料中“預(yù)先編程”，可以像設(shè)定人或機(jī)器的行為一樣設(shè)定材料的行為。例如，當(dāng)往人體內(nèi)放置一個(gè)支架時(shí)，它會先處于非激活狀態(tài)，以適應(yīng)狹小的空間，而被體溫激活后，又可變形成記憶形狀并撐開血管。

然而，這種通過材料來實(shí)施簡單、巧妙且具有變革性解決方案的方法，在很大程度上仍然局限于少數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，目前還未得到廣泛應(yīng)用。自哈里森時(shí)代以來，我們已從以本地化工藝知識指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)的社會，同時(shí)也是產(chǎn)品和環(huán)境與材料屬性實(shí)現(xiàn)緊密內(nèi)在聯(lián)系的社會，轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓪?shí)現(xiàn)工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)模化生產(chǎn)的社會。實(shí)際上，工業(yè)革命忽略了前幾代人所熟知的材料知識。例如，工廠不再利用木材或金屬自身的材料屬性，而是開始創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化組件，以減少異型件和非標(biāo)件的數(shù)量。我們不再依賴于個(gè)人的技能或知識，而是試圖實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，甚至實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。這樣做主要出于以下考慮：用原木和樹枝建造房屋，或用形狀奇特的石料建造石墻非常困難，而用若干磚塊或任何長寬厚之比為4:2:1的材料建造建筑物卻簡單得多。同樣地，隨著環(huán)境變化，人類與地球、雨水、太陽、風(fēng)暴、潮汐變化或泥沙運(yùn)動(dòng)等自然力量的關(guān)系，從和諧轉(zhuǎn)變?yōu)榱巳祟愂褂脵C(jī)器進(jìn)行自上而下、蠻力式地發(fā)號施令。我們可以在任何地方、任何環(huán)境下進(jìn)行人工建造，如填海造地、疏浚淤泥、引導(dǎo)水流。大部分生產(chǎn)制造、建筑設(shè)計(jì)和土地使用的標(biāo)準(zhǔn)化，都是在試圖對抗材料的動(dòng)力學(xué)特性——盡量減少它們的運(yùn)動(dòng)、提高它們抵抗環(huán)境力量（包括重力、溫度變化、濕度變化、振動(dòng)、自然災(zāi)害等）的能力，其目標(biāo)是更快地生產(chǎn)更多、更便宜和性能更優(yōu)的產(chǎn)品。