01　可编程，新材料的未来

早在18世纪初，英国木匠兼钟表匠约翰·哈里森（John Harrison）就解决了当时海员们面临的最为棘手的难题之一：如何在海上航行时计算经度？这一问题对航海来说至关重要，而且一度让所有人觉得解决它的希望渺茫，英国议会甚至提出可以为任何能找到实际解决办法的人提供高额现金奖励。随着全球贸易的增加，海运越来越频繁，船员们必须准确了解船只相对于地球水平轴的位置。由于受到海上恶劣条件的干扰，计时器和导航设备不稳定且不可靠，所以，当时航海的方向极其不精确，因迷失方向而发生的沉船事故比比皆是。

科学家和其他人在试图解开这一谜题时，依靠的是天文学、数学，甚至魔法。令人惊讶的是，哈里森的解决方法十分简单且巧妙。他用木头、金属和其他简单的材料及零部件制作了一个“海上钟”（sea clock）。这个海上钟能根据给定的参考位置可靠地记录时间，这样水手们就可以根据该时间与当地时间的差来计算自己的位置。大海不断运动，环境不断变化，机械钟表的误差不断累积，这些因素共同导致之前类似海上钟的发明尝试都失败了。但是哈里森考虑了材料的膨胀和收缩原理，将机械装置设计成能够自然地适应温度、压力、湿度和物理运动等的哪怕最微小的波动。作为一名技艺精湛的工匠，哈里森明白，无论天气如何恶劣、海上环境如何变化、设备如何移动，能够让海上钟长时间保持完美时间差的关键，就是材料能随外部条件动态变化且具有完美的适应性。

哈里森的发明又被称为航海计时仪，它不仅彻底改变了海上航行方式，还改变了我们研究材料的角度，使我们认识到材料能够以智能的方式来适应环境。哈里森演示了如何利用材料特性来解决众所周知的设计和工程问题。从那时起，日常生活中的众多新设备就都应用了这种基于材料的设计机制。例如，恒温器可以利用双金属结构来调节室温或保持发动机的安全运行温度；有些牙齿矫正器由镍钛诺制成，镍钛诺是一种镍钛合金，可以根据体温的变化将牙齿矫正到精确的位置；支架等救生医疗设备使用的也是双金属结构，可以从一种形状转变成另一种形状。此外，通过在高温下以加热和塑形方式在材料中“预先编程”，可以像设定人或机器的行为一样设定材料的行为。例如，当往人体内放置一个支架时，它会先处于非激活状态，以适应狭小的空间，而被体温激活后，又可变形成记忆形状并撑开血管。

然而，这种通过材料来实施简单、巧妙且具有变革性解决方案的方法，在很大程度上仍然局限于少数应用领域，目前还未得到广泛应用。自哈里森时代以来，我们已从以本地化工艺知识指导产品生产的社会，同时也是产品和环境与材料属性实现紧密内在联系的社会，转变为可实现工业化、标准化和规模化生产的社会。实际上，工业革命忽略了前几代人所熟知的材料知识。例如，工厂不再利用木材或金属自身的材料属性，而是开始创建标准化组件，以减少异型件和非标件的数量。我们不再依赖于个人的技能或知识，而是试图实现行业标准化生产，甚至实现量产。这样做主要出于以下考虑：用原木和树枝建造房屋，或用形状奇特的石料建造石墙非常困难，而用若干砖块或任何长宽厚之比为4:2:1的材料建造建筑物却简单得多。同样地，随着环境变化，人类与地球、雨水、太阳、风暴、潮汐变化或泥沙运动等自然力量的关系，从和谐转变为了人类使用机器进行自上而下、蛮力式地发号施令。我们可以在任何地方、任何环境下进行人工建造，如填海造地、疏浚淤泥、引导水流。大部分生产制造、建筑设计和土地使用的标准化，都是在试图对抗材料的动力学特性——尽量减少它们的运动、提高它们抵抗环境力量（包括重力、温度变化、湿度变化、振动、自然灾害等）的能力，其目标是更快地生产更多、更便宜和性能更优的产品。