可编程材料，材料的未来

我们将可编程材料定义为可嵌入信息和物理功能（如逻辑功能、驱动功能或传感功能）的物理材料。在整本书中还涉及另一个相关术语——活性物质，这个词代表相关研究人员的扩展领域，他们通过研究大大小小的可编程材料，进而发现可自组装或实现物理转换的高度活跃结构。(3)在本书中，我将介绍材料的编程方法，并探索这种活跃性能的相关应用。从本质上讲，这些新兴的材料系统的零部件全都是极其简单的，它们被能量激活，从而具有组装、转换和创造新物理性能的能力。

如图1-1所示，要实现物理功能转换，材料及其几何形状和能量需满足一定条件。

物质可编程的想法由来已久，但人们对这一概念的理解和实现方式是不断变化的。至少从《星际迷航》（Star Trek）中的复制器（replicator）开始，人们就一直梦想着发明一种通过编程可以瞬间创造任何东西的机器。科幻小说中有许多类似的例子，它们反映了人类早期的梦想，比如可以无限缩小的可编程材料单元，这些单元方便制造，并且可以随时随地生长和变形。然而，很长一段时间以来，这个梦想都被认为是无法实现的，最可能的原因就是材料和制造能力的限制。

当然，在某种意义上，材料一直是“被编程过”的，我们周围的每件事物都被编程以感知周遭或通过内在信息运行。最明显的例子来自生命系统：想想我们的DNA（脱氧核糖核酸），它发出制造人类的指令；或者想想植物是如何向着阳光生长的。日常生活中也充满了这些根据内在信息进行转换的材料。除了复杂的生物，我们还可以看到自然的、非生物的材料，甚至是那些能够感知和响应周围环境变化的合成材料。例如，晶体可以生长和变形，枯死的木材仍会随着湿度的变化而产生形变，塑料也会随着温度的变化而膨胀或收缩。所有这些材料都是非生物性的，既有来自自然系统的，也有来自合成系统的，但它们都展现出了栩栩如生、信息丰富的特点。

手工艺者、建筑大师或任何像哈里森这样经常与材料打交道且会动手实践的人都是今天“材料程序员”的先驱，他们长期以来利用材料的内在性能工作。例如，工匠们在制作家具接缝、船体或威士忌酒桶时，利用木材的内在性能，通过改变制造环境的湿度，制造出了更紧密、更坚固的接缝；金工技工经常利用金属随温度变化而膨胀或收缩的性能来制作精确而牢固的接头；工程师为发动机设计了一种金属零部件，使其能够在不断变化的环境中稳定运行；纺织品制造商经常利用温度和湿度来控制衣服的大小，从而生产出能够实现自我调整的衣物。

然而，在当今社会，新的数字制造技术可在定制材料性能的同时，以更快的速度和更大的规模进行生产，这赋予了人类社会比以往任何时候都更大的产能。计算、制造和材料有着深远而长久的联系。19世纪发明的雅卡尔提花机（Jacquard loom）被认为是现代计算机的前身，它可通过读取一组具有不同穿孔组合的卡片来织出特定的图案。1947年晶体管问世后不久，晶体管计算机也诞生了。1952年，MIT的科学家们第一次将现代计算机与铣床连接，这为后来的计算机辅助系统的发明铺平了道路，其中包括1963年使用的第一个计算机辅助设计（CAD）工具，以及如今用于计算机数控（CNC）加工设计流程的CAD和计算机辅助制造（CAM）。这些发明使计算机可通过编程来更进一步地运行生产零部件的制造设备。从电子设备到汽车、服装、建筑、基础设施、飞机，甚至儿童玩具，几乎今天的每一件产品都是按照这种程序，使用CAD、CAM、CNC等技术生产出来的。21世纪的今天，我们通过使用激光切割机、水射流机、3D打印机、铣床、工业机械手臂和许多其他技术，显著提高了数字化制造能力，实现了复杂工艺制造。越来越多的人了解到材料和机器的特性，同时设计和制造、材料和信息之间的传统界限正在消失。

计算、制造和材料研究的发展引发了材料革命，使材料可编程成为可能。我们不仅可以利用材料内在的感知和转换性能，还可以利用这些快速发展的制造技术来定制材料。正如可以利用合成生物学原理和基因组技术等先进技术来改变DNA的“编码指令”一样，我们现在也可以从零开始定制和制造由许多不同材料组成的合成材料。我们不仅可以实现特定基因或材料属性的进化突变，甚至可以制造嵌入“密码”的材料。例如，我们现在可以生产出具有定制纹理图案的合成木材，这种纹理图案在自然环境中无法形成；可以生产出自适应调整的发动机复杂金属零部件；可以生产出根据空气动力学变化的高性能复合材料，以及用于智能医疗设备的多材料打印结构。所有这些材料都是根据可调节和自适应指令进行设计的，可以实现复杂的几何形状，具有多种性能。

从自然进化的材料到综合设计的合成材料，再到完全可编程材料，这整个过程从时装类产品和鞋类产品的持续进化中可见一斑：例如，传统的服装大多是天然棉纺织的，如今合成纤维和高性能纺织产品占据我们的视野，而最近服装行业开始设计更智能的产品——将传感器和执行器嵌入纺织品中，成品从而可根据穿者身体的动作变形。这些类似机器人的“智能服装”，正迅速从笨重的附加设备演变为简洁而智能的衣服。

新材料的未来　智能衣物，让你不再为穿衣发愁

自组装实验室与美国男士服装初创品牌Ministry of Supply等新兴公司已开展合作，开发高度活性的服装，通过材料设计，而不是使用复杂的设备，将纺织材料智能地织成复杂的服装。当人体感觉热的时候，衣服会变得透气；当人体感觉冷的时候，衣服会变厚，从而起到保暖作用。这种衣服可以根据人的体形变化，实现完美的合身度，或者根据不同的场合呈现出不同的美感。可见，我们现在不仅拥有新的纺织材料，还可通过材料设计来获得具有新功能的智能衣物。

人们可能会认为，可编程材料会更电子化或机器人化而不人性化，会更静态化而不活跃，只是等待着被编程。但正如我希望展示的那样，如今的数字制造实际上高度智能化，并不是简单的机械化。同理，材料的可编程也是高度智能化的，并不是机械性地只为完成目标功能。因此，我们需要更深入地了解材料，实现与材料的合作设计，而不是强行使用材料。

本书试图通过新颖的设计和制造方法来介绍材料令人惊讶的，但仍未开发的能力；利用看似使熵逆转(4)的方法，创造简单的材料“机器人”，通过编程使日常物体或环境“活”起来；挑战传统事物会分解的观念，对材料进行编程，使其变得更活跃、更具适应性，并自行进化。我们会问：

·为什么这么多的物体和环境被设计成静态的？

·为什么人造的东西通常没有栩栩如生的性能，例如，为什么它们不能生长、变形或自我修复？

·为什么一个“坚固”的结构通常意味着需要更多的材料、更高硬度的材料？

想想一丛草或一棵树，它们的力量通常不是体现在庞大的躯体，而是体现在高效的分布方式、灵活性，以及能够适应不同地理条件、自我防御或在需要时重新生长的能力。我们将讨论为什么人们对机器人或计算机的外观和行为感到如此满意，以及为什么这一情况正在迅速发生变化。这样，我们就能认识到活性物质存在的新现实。

本书的内容是经过多年的游戏、实验、合作、失败，以及在自组装实验室中发生的一些愉快的意外之后形成的，但它们远远超出了我们的工作，跨越了多个学科，并在许多不同的领域实现了令人惊讶的应用。可编程材料这个新兴领域正是科学和工程严谨性与创造力、娱乐性及想象力碰撞的火花。然而，要想在这一领域取得进步，不仅要能解决技术问题，还需要自由创造探索、敢于承担高风险的能力，当然，大胆假设也很重要。因此，在本书中，我们将以当今不同领域的天才设计师、科学家和工程师所取得的技术进步为具体例子，介绍近期的思想实验和未来的可能性。毕竟，虽然这一新兴领域正在迅速发展，并实现了显著的进步，但它仍处于早期阶段，许多潜在的影响或应用尚未出现。在这场材料革命的开端这个激动人心的时刻，我希望未来以完成这场革命为愿景，不断取得进步，激发新的应用和合作，充实活性物质领域。