02　建立數(shù)字化世界與物理世界共生的系統(tǒng)

當(dāng)研究一臺(tái)電腦時(shí)，我們看到的是一臺(tái)將物理信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息的機(jī)器。密集的按鍵輸入可以轉(zhuǎn)換成由0和1組成的數(shù)字信息，緊接著，硅片、晶體管、芯片和驅(qū)動(dòng)器對(duì)這些數(shù)字信息進(jìn)行計(jì)算和分析，然后輸出我們需要的數(shù)字信息。這臺(tái)機(jī)器通過(guò)鍵盤(pán)按鈕將我們的思想和思維轉(zhuǎn)換成0和1的組合。它可以接收指令、執(zhí)行邏輯操作，并神奇地將信息從物理形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

現(xiàn)在再考慮一下從數(shù)字信息到物理信息的轉(zhuǎn)變過(guò)程：電腦可以連接打印機(jī)來(lái)打印紙質(zhì)文件，如今甚至可以將電腦連接到3D打印機(jī)上，直接將實(shí)物打印出來(lái)。我們還可以將電腦連接到電機(jī)上，通過(guò)發(fā)送代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)一些東西。軟件和硬件技術(shù)的不斷進(jìn)步使得從數(shù)字信息到物理信息的轉(zhuǎn)換更為容易。像開(kāi)源硬件Arduino、Makey Makey和Little Bits等平臺(tái)可將計(jì)算機(jī)代碼轉(zhuǎn)換為物理環(huán)境，任何軟硬件愛(ài)好者都可以使用它們來(lái)輕松地開(kāi)發(fā)交互式電子設(shè)備。近年來(lái)，由于人機(jī)交互、觸覺(jué)學(xué)、用戶體驗(yàn)和界面設(shè)計(jì)、交互設(shè)計(jì)、物理計(jì)算等新興領(lǐng)域的發(fā)展，物理信息與數(shù)字信息之間、人與機(jī)器之間的界限變得越來(lái)越模糊。

然而，早期的計(jì)算形式?jīng)]有這樣的界限。計(jì)算機(jī)只是物理上的，也就是說(shuō)，當(dāng)涉及計(jì)算時(shí)，那時(shí)的計(jì)算機(jī)沒(méi)有所謂的轉(zhuǎn)換過(guò)程。幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算就意味著使用算盤(pán)、古秘魯人的結(jié)繩文字或一把鵝卵石進(jìn)行加減。同樣地，一些早期的“計(jì)算機(jī)”實(shí)際上是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）起到計(jì)算作用的杰出女性，她們?cè)趲椭祟惖顷懺虑虻膹?fù)雜計(jì)算中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

從19世紀(jì)上半葉的雅卡爾提花機(jī)、埃達(dá)·洛夫萊斯（Ada Lovelace）和查爾斯·巴貝奇（Charles Babbage）發(fā)明的差分機(jī)（Difference Engine）和分析機(jī)（Analytical Engine），到一個(gè)世紀(jì)后萬(wàn)尼瓦爾·布什（Vannevar Bush）的微分分析器（Differential Analyzer），這些早期的計(jì)算機(jī)器都是用齒輪、滑輪、皮帶或電子管制造的，每一臺(tái)都是用來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)算的。當(dāng)我們將這些機(jī)器與今天的計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是“模擬的”，因?yàn)樗鼈兌际怯小霸肼暋钡摹＿@些噪聲，不僅指人耳聽(tīng)到的嘈雜聲音，還指機(jī)器在材料、結(jié)構(gòu)組成、運(yùn)行機(jī)制方面的性能。通俗來(lái)說(shuō)，隨著機(jī)體變得更大、更復(fù)雜，它們的性能卻下降了；齒輪越多，復(fù)雜的部件也越多，它們就越容易損壞；機(jī)器運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，也越有可能損壞；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，累積的公差和誤差也會(huì)增加，比如齒輪或滑輪上的小誤差可能會(huì)累積起來(lái)，使機(jī)器在數(shù)百次或數(shù)千次循環(huán)之后偏離正常運(yùn)行的軌道。此外，這些早期的計(jì)算機(jī)器受房間溫度或濕度的影響，很容易膨脹或收縮，從而導(dǎo)致其性能發(fā)生意外變化或出現(xiàn)維護(hù)錯(cuò)誤。早期計(jì)算機(jī)器的性能受材料等物理?xiàng)l件的影響非常大，第一個(gè)計(jì)算機(jī)“漏洞”（bug）據(jù)說(shuō)是在哈佛大學(xué)的“馬克二型”計(jì)算機(jī)（Harvard’s Mark Ⅱ）里發(fā)現(xiàn)的——一只困在繼電器里的飛蛾導(dǎo)致其停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

20世紀(jì)40年代左右出現(xiàn)了“數(shù)字”計(jì)算的概念。當(dāng)時(shí)，信息論的奠基人克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）發(fā)表了有史以來(lái)最有影響力的論文之一，他在文中首次提出了數(shù)字信息和通信的概念，展示了如何用不可靠的設(shè)備進(jìn)行可靠的通信。香農(nóng)詳細(xì)闡述了如何以可靠的方式將信息從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方的原則。這些方法可以應(yīng)用于宏觀尺度的物理材料，例如機(jī)械計(jì)算機(jī)（mechanical computer），或者發(fā)展成如今的硅電子學(xué)。然而，在20世紀(jì)40年代，人們最關(guān)注的是如何通過(guò)嘈雜的電話線進(jìn)行通信。香農(nóng)理論的核心思想是，當(dāng)信息從A點(diǎn)發(fā)送到B點(diǎn)時(shí)，差錯(cuò)很容易就會(huì)悄悄出現(xiàn)，就像小說(shuō)《私語(yǔ)巷》（Whisper Down the Lane）中的游戲那樣。但是如果建立了一個(gè)糾錯(cuò)系統(tǒng)，如檢查和平衡系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)送了同一信息的多個(gè)副本，通過(guò)這個(gè)糾錯(cuò)系統(tǒng)的交叉檢查后，就可以確保接收到的信息是完全準(zhǔn)確的。這就是“數(shù)字”的本質(zhì)。

第一批被認(rèn)為是“數(shù)字化”的計(jì)算機(jī)，即使其制作過(guò)程融合了香農(nóng)的誤差修正和可編程原理，也仍然主要是由機(jī)械部件加上電子開(kāi)關(guān)制成的。例如，計(jì)算機(jī)理論的奠基人艾倫·圖靈（Alan Turing）的圖靈機(jī)和布萊切利園（Bletchley Park）密碼破解者使用的計(jì)算機(jī)，與戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期的恩尼格瑪密碼機(jī)（Enigma-breaking Machine）、巨人計(jì)算機(jī)（Colossus），以及由約翰·馮·諾伊曼（John von Neumann）研發(fā)的被譽(yù)為第一臺(tái)通用電子計(jì)算機(jī)的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）一樣，都是用電子管制造的，仍然依賴紙帶或手動(dòng)電纜交換來(lái)輸入數(shù)字。這些數(shù)字化機(jī)器的運(yùn)行速度很慢，很難進(jìn)行編程，而且體積巨大，隨著科技發(fā)展，最終它們被淘汰。1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶體管，使計(jì)算機(jī)的組成從齒輪和電子管向硅片和晶體管跨越。這些基于晶體管的計(jì)算機(jī)體積更小，運(yùn)行速度更快，在此基礎(chǔ)上，到20世紀(jì)70年代，人們最終發(fā)明了家用臺(tái)式計(jì)算機(jī)。如今，即便發(fā)送者和接收者之間距離遙遠(yuǎn)，甚至處于不同的時(shí)區(qū)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)在計(jì)算和通信方面仍然保持著準(zhǔn)確性，這在一定程度上要?dú)w功于香農(nóng)在40年代所做的工作。然而，由于計(jì)算機(jī)硬件趨向于小型化且可靠性提升，我們認(rèn)為“計(jì)算本質(zhì)上是物理的”這種想法已經(jīng)因?yàn)檫^(guò)于簡(jiǎn)單而不復(fù)存在了。

伴隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，1952年MIT發(fā)明了第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，這臺(tái)數(shù)控機(jī)床的誕生為之后的計(jì)算機(jī)運(yùn)行個(gè)性化的制造設(shè)備鋪平了道路。在此基礎(chǔ)上，人們陸續(xù)發(fā)明了數(shù)控銑床、激光切割機(jī)、水射流機(jī)、3D打印機(jī)等其他工具，這些工具對(duì)個(gè)人或工廠來(lái)說(shuō)都很容易獲得。就像編程成為設(shè)計(jì)師和軟件開(kāi)發(fā)者所使用的新工具一樣，編程也使新的物理制造形式能夠從設(shè)想變成現(xiàn)實(shí)。在過(guò)去的幾十年里，隨著數(shù)字制造和創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)的興起，我們?cè)诠S實(shí)驗(yàn)室、技術(shù)商店和創(chuàng)客博覽會(huì)中看到越來(lái)越多的實(shí)體制造物，人們?cè)谶@些地方可以了解材料的特性。這一發(fā)展在一定程度上引發(fā)了我們正在經(jīng)歷的材料革命。隨著人們對(duì)材料的興趣不斷增長(zhǎng)，新的生物材料和合成材料也將不斷出現(xiàn)，現(xiàn)在可以像制造計(jì)算機(jī)一樣制造數(shù)字材料和可編程材料了。

近年來(lái)，數(shù)字材料被定義為一組材料零部件，這些零部件能以精確但可逆的方式進(jìn)行組裝和拆卸。數(shù)字材料這一概念可以應(yīng)用到DNA、樂(lè)高積木、壓配式組裝件或許多其他獨(dú)立構(gòu)件中。然而，數(shù)字材料的這個(gè)定義并不能完全直接地說(shuō)明材料的性質(zhì)。在實(shí)現(xiàn)材料可編程的過(guò)程中，當(dāng)然會(huì)涉及模塊構(gòu)建，但它對(duì)材料的屬性依賴很大。可編程材料不但攜帶數(shù)字信息，可以實(shí)現(xiàn)零部件的挨個(gè)組裝或拆卸，而且其各組分都可以攜帶信息、感知刺激，并以復(fù)雜的方式作出反應(yīng)。這樣，我們就得到了從數(shù)字材料進(jìn)化而來(lái)的完全可編程的材料。

如今，我們往往只把計(jì)算與筆記本電腦或手機(jī)聯(lián)系在一起，而忽略了使計(jì)算成為可能的材料性能。也許是因?yàn)殡娔X里的元器件太小，我們看不到現(xiàn)在數(shù)字化計(jì)算機(jī)的內(nèi)部工作原理；此外，計(jì)算機(jī)運(yùn)行依賴的是看不見(jiàn)的電子過(guò)程，這一過(guò)程極其復(fù)雜，普通用戶很難理解。可以說(shuō)，我們大多數(shù)人其實(shí)并不能真正理解計(jì)算機(jī)是如何運(yùn)行的，而只是把它當(dāng)成理所當(dāng)然，就像魔法一樣。也可能是因?yàn)榭萍及l(fā)展得如此之快，以至于當(dāng)我們輕松鍵入一行代碼或快速發(fā)送一封電子郵件時(shí)，完全忘記了是晶體管中的硅、電路板中的焊料，甚至是復(fù)雜的電路等這些非常具體的材料及其特性才使這些“計(jì)算”成為可能。根據(jù)摩爾定律，芯片上組件的數(shù)量會(huì)越來(lái)越多，尺寸也越來(lái)越小，可見(jiàn)，如今我們對(duì)經(jīng)常用來(lái)打字輸入代碼的物理計(jì)算機(jī)的認(rèn)識(shí)，與對(duì)其內(nèi)部能夠進(jìn)行計(jì)算的微小零部件的認(rèn)識(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重脫節(jié)。

隨著我們的世界漸漸虛擬化，計(jì)算設(shè)備越來(lái)越多，每天的視頻會(huì)議越來(lái)越多，周?chē)奶摂M現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品越來(lái)越多，這也就很容易解釋為什么我們?cè)?jīng)被蠱惑，認(rèn)為未來(lái)是數(shù)字的而不是物理的。然而，當(dāng)我們對(duì)數(shù)字化聯(lián)系越來(lái)越多而物理聯(lián)系卻越來(lái)越少開(kāi)始感到奇怪時(shí)，我們意識(shí)到數(shù)字化聯(lián)系的增多不一定以減少物理聯(lián)系為代價(jià)。隨著數(shù)字設(shè)備的使用越來(lái)越多，我們不再線下見(jiàn)面，不再共同欣賞那些實(shí)實(shí)在在的自然風(fēng)景，這實(shí)際上創(chuàng)造了對(duì)物理聯(lián)系的新需求。以全球暴發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(5)疫情為例，大家的許多互動(dòng)都被降級(jí)為網(wǎng)上聯(lián)系，而這十分清晰地凸顯了我們?nèi)粘Ｉ钪械奈锢砺?lián)系及與物質(zhì)實(shí)體的接觸多么重要。因此，隨著我們的世界變得越來(lái)越數(shù)字化，我們實(shí)際上需要彼此之間、與我們的產(chǎn)品、與我們的現(xiàn)實(shí)環(huán)境建立越來(lái)越多的物理聯(lián)系。我們現(xiàn)在意識(shí)到，最美好的未來(lái)是這兩個(gè)世界可以完美地連接在一起。我們可以利用數(shù)字化技術(shù)和物理材料創(chuàng)造一個(gè)混合和互聯(lián)的世界，而不是虛擬化或數(shù)字化世界與模擬的或物理的世界割裂開(kāi)來(lái)。

計(jì)算的本質(zhì)仍然是物理的，一如往常。它仍然依賴于準(zhǔn)確的材料特性，如電導(dǎo)、電容、密度、剛度、不透明度，甚至依賴來(lái)自我們雙手的鍵盤(pán)輸入。激活材料的核心是發(fā)現(xiàn)這些材料的新特性，并延伸這一基本事實(shí)。它試圖想象和開(kāi)發(fā)出不同形式的計(jì)算，這種計(jì)算可以具備當(dāng)今隱形數(shù)字計(jì)算的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以利用人類范疇的物理屬性，比如那些我們可以看到、感覺(jué)到、觸摸到，甚至可以用來(lái)娛樂(lè)的物理屬性。我們通常認(rèn)為計(jì)算機(jī)是靜態(tài)的和電子化的，現(xiàn)在是時(shí)候采用一個(gè)新的視角來(lái)看待這件事情了。我們不再局限于計(jì)算機(jī)屏幕的范圍內(nèi)，而是力圖實(shí)現(xiàn)以數(shù)字化聯(lián)系和物理聯(lián)系共生為中心的計(jì)算愿景，將計(jì)算機(jī)和材料的能力結(jié)合在一起。那么，這將如何改變我們看待周?chē)澜绲姆绞侥兀?/p>