新的工業革命——材料革命

隨著近代計算機的發展和數字革命的展開，人類與材料的這種疏離狀態變得越發普遍。數字化和虛擬化(1)的發展傾向于將普通人與材料割裂開來，并使我們相信“智能制造”意味著是由非常“聰明”的人，或可模擬人類智能的軟硬件數字系統實現的。但無論是人類智能，還是生物智能，最終都建立在簡單的材料，而不是計算機芯片或機械零部件之上。然而，我們已經越來越無法欣賞和了解材料智能了。

我經常會想到哈里森和他的海上鐘，我也想知道：如果今天面臨同樣的問題，我們會想出同樣簡單的解決辦法嗎？數百年后，隨著科技創新和技術進步，即使我們已經準備好超越傳統的生產工藝，這種簡單的設備發明依然能啟發所有人以全新的視角看待設計材料的方式。數字制造技術已嶄露頭角，合成生物學也不斷取得新突破，再加上材料科學和其他科學也實現了突飛猛進式發展，憑借這些，我們不僅可以更好地利用材料的特性，還能以全新方式來創造材料的特性，甚至可能引發一場新的工業革命——材料革命。

在本書中，我以麻省理工學院（MIT）自組裝實驗室（Self-Assembly Lab）創始人和聯合主管的身份，向你介紹這場新興的材料革命。(2)在自組裝實驗室，你可以看到建筑師、設計師、藝術家、工程師、計算機科學家，以及其他許多研究自組裝、新材料的性能或新制造工藝等各種課題的人。我們探索自組裝技術在產品設計、生產制造、建筑施工和大規模場景中的應用。立足于設計學、科學和工程學的交叉融合，我們是一所兼具創造性與探索性，堅持簡潔設計美學與技術性能并存，時刻遵守設計原則，力圖將想法變成現實的科研實驗室。究其發展核心，我們的工作完全基于一個信念，即不需要復雜、昂貴且以設備為中心的解決方案，就能生產更智能、更高性能的產品，并實現環境的可持續發展。我們尋求使用簡單的材料，利用材料與環境的相互關系來設計和創建一個更活躍、適應性更強且更逼真的世界。

作為科學家、工程師和設計師，我們正橫跨學術研究和產業領域，不斷尋找設計和創造物理材料及實現物理材料編程的方法，我們所能做的甚至超出哈里森的想象。這些材料可以接收信息，執行邏輯操作，感知信息并做出反應。通常我們在生物自然系統中才會看到類似糾錯、重新配置、復制、自組裝、生長、進化等獨特行為，而如今，我們可以在無生命的物質材料中發現這些行為。例如，在自組裝實驗室，我們已經探索了自然物體、家具、電子設備，甚至陸地建造中的物理零部件進行自組裝和自組織的現象。通過了解和探索材料性能，利用材料的可編程性，賦予簡單的材料和環境以新的功能，我們已實現材料性能的智能化，并將其內置于產品中，從而實現產品規模化生產甚至定制化生產。

正如本書所討論的，新材料的進步對機器人、服裝、家具、醫療設備、制造、建筑，甚至海岸工程等各個領域均會產生深遠影響。通過使用新纖維材料，我們生產出了能夠適應溫度或濕度變化的服裝和紡織品，穿上這樣的衣服，人們可在奔跑中保持身體的涼爽或干燥；我們生產出了大小、形狀或功能都可改變的家具，它們在海運過程中可實現平板包裝，運到后再自行組裝。此外，利用多種材料快速打印，我們能量身定制一些新型醫療設備，當它們被置入人體時，能夠適應人體內部環境，不需要其他復雜操作即可擴張動脈或氣管。從最大的應用范圍來看，像沙子這樣簡單的材料也可以成為一種媒介，利用海洋能量來促成新島嶼或海岸線的自組織。以上這些通過拓展材料新性能，使用途單一的產品變得多功能化，使靜態的東西變得逼真和有趣的例子越來越多。

最終，我們需要在更廣闊的環境中與材料進行新型協作，與產品建立新關系，通過新的思維角度來看待世界?！缎虏牧细锩愤@本書認為，我們可以通過簡單的設計原則來拓展思維方式，從新角度來思考傳統的“靜態”機制、產品和環境，并重新定義產品的“智能化”。世界迫切需要高度智能且活躍的“智慧”產品，但目前的智能產品大多價格高昂、設計復雜，而且以電池為動力，易出故障。本書中提到的設計原則指向了一條不同的前進道路。我希望本書能讓你停下來思考：為什么一些“智能產品”可能根本沒有那么智能？本書的目的就是展示我們如何利用這些現實世界中隱藏的內在可能性，揭示人類與材料的新關系，挖掘其內在的智能。

當談到給材料編程時，我們指的是什么？這種情況又是如何實現的？我們可從一個一般定義開始：編程就是創建一組可執行的指令，這些指令是特定媒介可以執行或處理的。顯然，這是編程的一個非常普遍的定義。這里我用的是“媒介”而不是“計算機”，因為，正如我將要解釋的，我們可以把一個程序嵌入任何媒介中。每當執行一組指令時，就在執行一種程序。對材料進行編程，就是將這樣的指令嵌入其中，以讓材料做出邏輯判斷，感知環境并做出反應。