可編程材料，材料的未來

我們將可編程材料定義為可嵌入信息和物理功能（如邏輯功能、驅動功能或傳感功能）的物理材料。在整本書中還涉及另一個相關術語——活性物質，這個詞代表相關研究人員的擴展領域，他們通過研究大大小小的可編程材料，進而發現可自組裝或實現物理轉換的高度活躍結構。(3)在本書中，我將介紹材料的編程方法，并探索這種活躍性能的相關應用。從本質上講，這些新興的材料系統的零部件全都是極其簡單的，它們被能量激活，從而具有組裝、轉換和創造新物理性能的能力。

如圖1-1所示，要實現物理功能轉換，材料及其幾何形狀和能量需滿足一定條件。

物質可編程的想法由來已久，但人們對這一概念的理解和實現方式是不斷變化的。至少從《星際迷航》（Star Trek）中的復制器（replicator）開始，人們就一直夢想著發明一種通過編程可以瞬間創造任何東西的機器。科幻小說中有許多類似的例子，它們反映了人類早期的夢想，比如可以無限縮小的可編程材料單元，這些單元方便制造，并且可以隨時隨地生長和變形。然而，很長一段時間以來，這個夢想都被認為是無法實現的，最可能的原因就是材料和制造能力的限制。

當然，在某種意義上，材料一直是“被編程過”的，我們周圍的每件事物都被編程以感知周遭或通過內在信息運行。最明顯的例子來自生命系統：想想我們的DNA（脫氧核糖核酸），它發出制造人類的指令；或者想想植物是如何向著陽光生長的。日常生活中也充滿了這些根據內在信息進行轉換的材料。除了復雜的生物，我們還可以看到自然的、非生物的材料，甚至是那些能夠感知和響應周圍環境變化的合成材料。例如，晶體可以生長和變形，枯死的木材仍會隨著濕度的變化而產生形變，塑料也會隨著溫度的變化而膨脹或收縮。所有這些材料都是非生物性的，既有來自自然系統的，也有來自合成系統的，但它們都展現出了栩栩如生、信息豐富的特點。

手工藝者、建筑大師或任何像哈里森這樣經常與材料打交道且會動手實踐的人都是今天“材料程序員”的先驅，他們長期以來利用材料的內在性能工作。例如，工匠們在制作家具接縫、船體或威士忌酒桶時，利用木材的內在性能，通過改變制造環境的濕度，制造出了更緊密、更堅固的接縫；金工技工經常利用金屬隨溫度變化而膨脹或收縮的性能來制作精確而牢固的接頭；工程師為發動機設計了一種金屬零部件，使其能夠在不斷變化的環境中穩定運行；紡織品制造商經常利用溫度和濕度來控制衣服的大小，從而生產出能夠實現自我調整的衣物。

然而，在當今社會，新的數字制造技術可在定制材料性能的同時，以更快的速度和更大的規模進行生產，這賦予了人類社會比以往任何時候都更大的產能。計算、制造和材料有著深遠而長久的聯系。19世紀發明的雅卡爾提花機（Jacquard loom）被認為是現代計算機的前身，它可通過讀取一組具有不同穿孔組合的卡片來織出特定的圖案。1947年晶體管問世后不久，晶體管計算機也誕生了。1952年，MIT的科學家們第一次將現代計算機與銑床連接，這為后來的計算機輔助系統的發明鋪平了道路，其中包括1963年使用的第一個計算機輔助設計（CAD）工具，以及如今用于計算機數控（CNC）加工設計流程的CAD和計算機輔助制造（CAM）。這些發明使計算機可通過編程來更進一步地運行生產零部件的制造設備。從電子設備到汽車、服裝、建筑、基礎設施、飛機，甚至兒童玩具，幾乎今天的每一件產品都是按照這種程序，使用CAD、CAM、CNC等技術生產出來的。21世紀的今天，我們通過使用激光切割機、水射流機、3D打印機、銑床、工業機械手臂和許多其他技術，顯著提高了數字化制造能力，實現了復雜工藝制造。越來越多的人了解到材料和機器的特性，同時設計和制造、材料和信息之間的傳統界限正在消失。

計算、制造和材料研究的發展引發了材料革命，使材料可編程成為可能。我們不僅可以利用材料內在的感知和轉換性能，還可以利用這些快速發展的制造技術來定制材料。正如可以利用合成生物學原理和基因組技術等先進技術來改變DNA的“編碼指令”一樣，我們現在也可以從零開始定制和制造由許多不同材料組成的合成材料。我們不僅可以實現特定基因或材料屬性的進化突變，甚至可以制造嵌入“密碼”的材料。例如，我們現在可以生產出具有定制紋理圖案的合成木材，這種紋理圖案在自然環境中無法形成；可以生產出自適應調整的發動機復雜金屬零部件；可以生產出根據空氣動力學變化的高性能復合材料，以及用于智能醫療設備的多材料打印結構。所有這些材料都是根據可調節和自適應指令進行設計的，可以實現復雜的幾何形狀，具有多種性能。

從自然進化的材料到綜合設計的合成材料，再到完全可編程材料，這整個過程從時裝類產品和鞋類產品的持續進化中可見一斑：例如，傳統的服裝大多是天然棉紡織的，如今合成纖維和高性能紡織產品占據我們的視野，而最近服裝行業開始設計更智能的產品——將傳感器和執行器嵌入紡織品中，成品從而可根據穿者身體的動作變形。這些類似機器人的“智能服裝”，正迅速從笨重的附加設備演變為簡潔而智能的衣服。

新材料的未來　智能衣物，讓你不再為穿衣發愁

自組裝實驗室與美國男士服裝初創品牌Ministry of Supply等新興公司已開展合作，開發高度活性的服裝，通過材料設計，而不是使用復雜的設備，將紡織材料智能地織成復雜的服裝。當人體感覺熱的時候，衣服會變得透氣；當人體感覺冷的時候，衣服會變厚，從而起到保暖作用。這種衣服可以根據人的體形變化，實現完美的合身度，或者根據不同的場合呈現出不同的美感。可見，我們現在不僅擁有新的紡織材料，還可通過材料設計來獲得具有新功能的智能衣物。

人們可能會認為，可編程材料會更電子化或機器人化而不人性化，會更靜態化而不活躍，只是等待著被編程。但正如我希望展示的那樣，如今的數字制造實際上高度智能化，并不是簡單的機械化。同理，材料的可編程也是高度智能化的，并不是機械性地只為完成目標功能。因此，我們需要更深入地了解材料，實現與材料的合作設計，而不是強行使用材料。

本書試圖通過新穎的設計和制造方法來介紹材料令人驚訝的，但仍未開發的能力；利用看似使熵逆轉(4)的方法，創造簡單的材料“機器人”，通過編程使日常物體或環境“活”起來；挑戰傳統事物會分解的觀念，對材料進行編程，使其變得更活躍、更具適應性，并自行進化。我們會問：

·為什么這么多的物體和環境被設計成靜態的？

·為什么人造的東西通常沒有栩栩如生的性能，例如，為什么它們不能生長、變形或自我修復？

·為什么一個“堅固”的結構通常意味著需要更多的材料、更高硬度的材料？

想想一叢草或一棵樹，它們的力量通常不是體現在龐大的軀體，而是體現在高效的分布方式、靈活性，以及能夠適應不同地理條件、自我防御或在需要時重新生長的能力。我們將討論為什么人們對機器人或計算機的外觀和行為感到如此滿意，以及為什么這一情況正在迅速發生變化。這樣，我們就能認識到活性物質存在的新現實。

本書的內容是經過多年的游戲、實驗、合作、失敗，以及在自組裝實驗室中發生的一些愉快的意外之后形成的，但它們遠遠超出了我們的工作，跨越了多個學科，并在許多不同的領域實現了令人驚訝的應用。可編程材料這個新興領域正是科學和工程嚴謹性與創造力、娛樂性及想象力碰撞的火花。然而，要想在這一領域取得進步，不僅要能解決技術問題，還需要自由創造探索、敢于承擔高風險的能力，當然，大膽假設也很重要。因此，在本書中，我們將以當今不同領域的天才設計師、科學家和工程師所取得的技術進步為具體例子，介紹近期的思想實驗和未來的可能性。畢竟，雖然這一新興領域正在迅速發展，并實現了顯著的進步，但它仍處于早期階段，許多潛在的影響或應用尚未出現。在這場材料革命的開端這個激動人心的時刻，我希望未來以完成這場革命為愿景，不斷取得進步，激發新的應用和合作，充實活性物質領域。