01

今天談一個(gè)非常冷門但又十分有趣的科學(xué)門類——可編程物質(zhì)。

猶記得小時(shí)候用磁鐵玩游戲，在一塊鐵氈上放置一堆鐵屑，手持一塊磁鐵在鐵氈下來回滑動(dòng)，這些鐵屑就會(huì)齊刷刷直立起來，隨著磁鐵來回?cái)[動(dòng)，在視覺上形成「操縱、擺布」的游戲效果。

在此過程中，鐵屑就像一個(gè)個(gè)可以被「重構(gòu)」的材料，獲得了生命力，彼此均勻排列，整齊地來回?cái)[動(dòng)和移動(dòng)。這讓我想起物理學(xué)中關(guān)于材料內(nèi)部分子的各向同性這種特性。

今天要談的「可編程物質(zhì)」就有些類似上述在磁鐵影響下的鐵屑。所謂可編程物質(zhì)，是指能夠根據(jù)用戶輸入或自主感知到的程序命令，以可編程方式改變其物理特性（形狀、密度、模量、電導(dǎo)率、光學(xué)特性等）的物質(zhì)。

它通常由大量微小的、相互關(guān)聯(lián)的模塊組成——就像一大堆鐵屑那樣的集群。這些模塊就像無數(shù)變量，不僅可以移動(dòng)，還能重新排列、組合、激活，從而實(shí)現(xiàn)宏觀層面的形態(tài)和功能上的轉(zhuǎn)變。

怎么說呢，你若參加過或者看過幾百上千人那種變換隊(duì)形（通過隊(duì)伍中不同顏色個(gè)體的移動(dòng)組合新的圖案）的大型團(tuán)體操，就能理解可編程物質(zhì)的直觀表現(xiàn)，這些體操隊(duì)伍中的個(gè)體就是可編程物質(zhì)，個(gè)體越多，組合性和變化就越豐富。

02

有人或許會(huì)問，這種材料能干嗎呢，我們又不需要變戲法。且不說任何技術(shù)只要被人發(fā)明出來就一定蘊(yùn)含著深遠(yuǎn)的應(yīng)用場景，單就這種可編程物質(zhì)說，最常見的應(yīng)用可算是液晶屏。

現(xiàn)在的年輕人可能沒用過顯像管原理的顯示器，其笨重阻礙了使用的靈活性，這種缺陷隨著液晶屏出現(xiàn)消失了。液晶屏是薄薄的一片，空間要求很小，直接促成了電腦向「筆記本」時(shí)代的跨越，后來的移動(dòng)終端都拜液晶屏所賜。

液晶屏的成像原理利用了液晶的特殊物理性質(zhì)。液晶是一種介于固體和液體之間的物質(zhì)，具有流動(dòng)性和晶體的光學(xué)特性，在電場作用下，液晶分子的排列方向會(huì)發(fā)生改變，如果通過控制電流來改變液晶分子的排列方向，就能控制光線的透射或遮蔽狀態(tài)。

具體來說，通過背光提供的光源穿過偏光片、液晶層（由薄膜晶體管控制）、彩色濾光片和另一片偏光片后，每個(gè)像素根據(jù)電壓變化就顯示出不同的亮度和顏色，最終形成圖像。不妨明確地講，液晶屏就是由「可編程物質(zhì)」構(gòu)成的。

可編程物質(zhì)的材料性質(zhì)特殊，核心是大量的微小模塊，具有開放性結(jié)構(gòu)中變量的組合性功能特征，作為變量的模塊能夠能夠相互通信，感知環(huán)境，接收和執(zhí)行指令，根據(jù)指令改變它們的位置、方向和連接方式，重塑材料的整體性狀。

如此就能制造出通用性更強(qiáng)的產(chǎn)品，并在設(shè)計(jì)、制造、機(jī)器人和醫(yī)療等領(lǐng)域帶來革命性的改變，其發(fā)展具有莫大的潛在影響力。

讓我們共同了解一下可編程物質(zhì)的發(fā)展歷程。這是一項(xiàng)距離現(xiàn)在很近的新科技，但短暫的歷史也頗有看頭。

「可編程物質(zhì)」一詞最初由美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家Toffoli和物理學(xué)家Margolus于1991年提出，最初是指空間中排列的一組細(xì)粒度計(jì)算元素。

他們的論文描述了一種計(jì)算基底框架，它由分布在整個(gè)空間的細(xì)粒度計(jì)算節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)僅使用最鄰近的信息交互進(jìn)行通信。這種節(jié)點(diǎn)具備可編程物質(zhì)的特性。但是類似的概念也可以追溯到較早的時(shí)期。

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早期

19世紀(jì)末，人們觀察和討論可變形的靈活的建筑結(jié)構(gòu)，試圖通過能夠變化組合的簡單材料滿足多樣化的建筑需求。

這些努力專注于創(chuàng)建的組件（建筑中的元素變量）能以不同的方式集成和重新結(jié)構(gòu)。好比相通的立柱和橫梁，能夠通過數(shù)量變化組合出不同面積和高度的房間一樣。

1945年以后，微波工程中對(duì)人工電介質(zhì)的研究在二戰(zhàn)后獲得了顯著的關(guān)注。這些早期的工程材料確立了制造結(jié)構(gòu)的基本概念，這些結(jié)構(gòu)能夠以可預(yù)測的、定制的方式與射頻波相互作用。

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中期發(fā)展：20世紀(jì)

1960年代，人們發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的鎳鈦(NiTi)合金——鎳鈦諾(Nitinol)，這是一種形狀記憶合金，它明確了材料可重構(gòu)性的可能性。類似材料能夠根據(jù)溫度或負(fù)載「記憶并恢復(fù)其原始形狀」，也就是說它能夠在變化后返回到從前的某種狀態(tài)——根據(jù)不同指令（溫度）返回到不同狀態(tài)。這種材料隨后很快得到了大量應(yīng)用：

1968年，人類首次在太空應(yīng)用上進(jìn)行演示（NASA的Nimbus太空船）。

1969年，應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域（F-14的cryofit耦合）。

1975年，首次應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域（超彈性正畸裝置）。

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材料的實(shí)現(xiàn)：1990年代以后

1990年代初，人們在可重構(gòu)模塊化機(jī)器人領(lǐng)域開展了大量工作，其理念類似于可編程物質(zhì)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、納米技術(shù)和自復(fù)制機(jī)器技術(shù)的進(jìn)步，「可編程物質(zhì)」一詞的使用也發(fā)生了變化，使人們意識(shí)到：構(gòu)建一個(gè)元素集合是可能的。

這些元素可以被「編程」以在現(xiàn)實(shí)中（而不僅僅是在模擬中）改變其物理性質(zhì)。「可編程物質(zhì)」的含義確定為「任何可以通過編程改變其物理性質(zhì)的塊體物質(zhì)」。

2002年，塞思·戈德斯坦(Seth Goldstein)和托德·莫里(Todd Mowry)在美國卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)啟動(dòng)了claytronics項(xiàng)目，旨在研究如何實(shí)現(xiàn)可編程物質(zhì)所需的底層硬件和軟件機(jī)制。

其目標(biāo)是利用微型自組織機(jī)器人形成有形的3D物體，這些物體可以根據(jù)指令改變形狀和顏色（就像擎天柱似的），并且移動(dòng)、通信和相互粘附，形成一個(gè)集體網(wǎng)絡(luò)，由此創(chuàng)建大規(guī)模的物理形態(tài)。最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的3D「傳真機(jī)」，可以傳輸和實(shí)現(xiàn)物體的實(shí)體化，從而增強(qiáng)人與人之間的交流，讓用戶能夠像身處同一房間一樣與遠(yuǎn)程物體進(jìn)行物理交互。

2004年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）信息科學(xué)與技術(shù)小組（ISAT）對(duì)可編程物質(zhì)的潛力進(jìn)行了評(píng)估和研究。該評(píng)估的成果是2005年隨后一年中對(duì)題為「實(shí)現(xiàn)可編程物質(zhì)」的研究的目標(biāo)呈現(xiàn)，為可編程物質(zhì)的研發(fā)制定了一項(xiàng)多年計(jì)劃。

2007年，可編程物質(zhì)成為美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局研究征集和后續(xù)計(jì)劃的主題。

2016年至2022年，法國國家科研署同樣資助了由法國科學(xué)家Julien Bourgeois和Benoit Piranda在本國的FEMTO-ST研究所主持的多個(gè)研究項(xiàng)目，該研究所正是在英特爾和卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)發(fā)起的Claytronics項(xiàng)目中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。

21世紀(jì)初，出現(xiàn)了在微波和光學(xué)范圍內(nèi)表現(xiàn)出負(fù)折射率的超級(jí)材料。它證明了結(jié)構(gòu)幾何可以從根本上超越基礎(chǔ)材料的自然電磁響應(yīng)，從而產(chǎn)生以前被認(rèn)為在物理上不可想象的特性。

這種結(jié)構(gòu)工程方法與建筑創(chuàng)新的原理相一致，即通過對(duì)金屬和塑料等常見組成材料進(jìn)行新穎的排列來實(shí)現(xiàn)非自然特性。

總之，這種創(chuàng)新都是通過對(duì)材料中的變量進(jìn)行重新排列組合形成的，也就是說這些材料具有可編程物質(zhì)的性質(zhì)。

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可編程物質(zhì)作為一種強(qiáng)大的基礎(chǔ)材料，其功能極可能隨著人工智能的崛起而成為未來新材料中的霸主。這是因?yàn)槿斯ぶ悄芤簿邆浞稚⒂洃?、集成?jì)算的組合特性，或許它廣闊的未來對(duì)應(yīng)著的正是可編程物質(zhì)。讓我們拭目以待吧。