02　建立数字化世界与物理世界共生的系统

当研究一台电脑时，我们看到的是一台将物理信息转换为数字信息的机器。密集的按键输入可以转换成由0和1组成的数字信息，紧接着，硅片、晶体管、芯片和驱动器对这些数字信息进行计算和分析，然后输出我们需要的数字信息。这台机器通过键盘按钮将我们的思想和思维转换成0和1的组合。它可以接收指令、执行逻辑操作，并神奇地将信息从物理形式转换为数字形式。

现在再考虑一下从数字信息到物理信息的转变过程：电脑可以连接打印机来打印纸质文件，如今甚至可以将电脑连接到3D打印机上，直接将实物打印出来。我们还可以将电脑连接到电机上，通过发送代码来驱动电机移动一些东西。软件和硬件技术的不断进步使得从数字信息到物理信息的转换更为容易。像开源硬件Arduino、Makey Makey和Little Bits等平台可将计算机代码转换为物理环境，任何软硬件爱好者都可以使用它们来轻松地开发交互式电子设备。近年来，由于人机交互、触觉学、用户体验和界面设计、交互设计、物理计算等新兴领域的发展，物理信息与数字信息之间、人与机器之间的界限变得越来越模糊。

然而，早期的计算形式没有这样的界限。计算机只是物理上的，也就是说，当涉及计算时，那时的计算机没有所谓的转换过程。几个世纪以来，计算就意味着使用算盘、古秘鲁人的结绳文字或一把鹅卵石进行加减。同样地，一些早期的“计算机”实际上是美国国家航空航天局（NASA）起到计算作用的杰出女性，她们在帮助人类登陆月球的复杂计算中发挥了至关重要的作用。

从19世纪上半叶的雅卡尔提花机、埃达·洛夫莱斯（Ada Lovelace）和查尔斯·巴贝奇（Charles Babbage）发明的差分机（Difference Engine）和分析机（Analytical Engine），到一个世纪后万尼瓦尔·布什（Vannevar Bush）的微分分析器（Differential Analyzer），这些早期的计算机器都是用齿轮、滑轮、皮带或电子管制造的，每一台都是用来进行转换和计算的。当我们将这些机器与今天的计算机进行比较时，就会发现它们是“模拟的”，因为它们都是有“噪声”的。这些噪声，不仅指人耳听到的嘈杂声音，还指机器在材料、结构组成、运行机制方面的性能。通俗来说，随着机体变得更大、更复杂，它们的性能却下降了；齿轮越多，复杂的部件也越多，它们就越容易损坏；机器运行的时间越长，也越有可能损坏；随着运行时间的增加，累积的公差和误差也会增加，比如齿轮或滑轮上的小误差可能会累积起来，使机器在数百次或数千次循环之后偏离正常运行的轨道。此外，这些早期的计算机器受房间温度或湿度的影响，很容易膨胀或收缩，从而导致其性能发生意外变化或出现维护错误。早期计算机器的性能受材料等物理条件的影响非常大，第一个计算机“漏洞”（bug）据说是在哈佛大学的“马克二型”计算机（Harvard’s Mark Ⅱ）里发现的——一只困在继电器里的飞蛾导致其停止运转。

20世纪40年代左右出现了“数字”计算的概念。当时，信息论的奠基人克劳德·香农（Claude Shannon）发表了有史以来最有影响力的论文之一，他在文中首次提出了数字信息和通信的概念，展示了如何用不可靠的设备进行可靠的通信。香农详细阐述了如何以可靠的方式将信息从一个地方转移到另一个地方的原则。这些方法可以应用于宏观尺度的物理材料，例如机械计算机（mechanical computer），或者发展成如今的硅电子学。然而，在20世纪40年代，人们最关注的是如何通过嘈杂的电话线进行通信。香农理论的核心思想是，当信息从A点发送到B点时，差错很容易就会悄悄出现，就像小说《私语巷》（Whisper Down the Lane）中的游戏那样。但是如果建立了一个纠错系统，如检查和平衡系统，当发送了同一信息的多个副本，通过这个纠错系统的交叉检查后，就可以确保接收到的信息是完全准确的。这就是“数字”的本质。

第一批被认为是“数字化”的计算机，即使其制作过程融合了香农的误差修正和可编程原理，也仍然主要是由机械部件加上电子开关制成的。例如，计算机理论的奠基人艾伦·图灵（Alan Turing）的图灵机和布莱切利园（Bletchley Park）密码破解者使用的计算机，与战争时期的恩尼格玛密码机（Enigma-breaking Machine）、巨人计算机（Colossus），以及由约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）研发的被誉为第一台通用电子计算机的ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）一样，都是用电子管制造的，仍然依赖纸带或手动电缆交换来输入数字。这些数字化机器的运行速度很慢，很难进行编程，而且体积巨大，随着科技发展，最终它们被淘汰。1947年贝尔实验室发明了晶体管，使计算机的组成从齿轮和电子管向硅片和晶体管跨越。这些基于晶体管的计算机体积更小，运行速度更快，在此基础上，到20世纪70年代，人们最终发明了家用台式计算机。如今，即便发送者和接收者之间距离遥远，甚至处于不同的时区，现代计算机在计算和通信方面仍然保持着准确性，这在一定程度上要归功于香农在40年代所做的工作。然而，由于计算机硬件趋向于小型化且可靠性提升，我们认为“计算本质上是物理的”这种想法已经因为过于简单而不复存在了。

伴随着计算机的发展，1952年MIT发明了第一台数控机床，这台数控机床的诞生为之后的计算机运行个性化的制造设备铺平了道路。在此基础上，人们陆续发明了数控铣床、激光切割机、水射流机、3D打印机等其他工具，这些工具对个人或工厂来说都很容易获得。就像编程成为设计师和软件开发者所使用的新工具一样，编程也使新的物理制造形式能够从设想变成现实。在过去的几十年里，随着数字制造和创客运动的兴起，我们在工厂实验室、技术商店和创客博览会中看到越来越多的实体制造物，人们在这些地方可以了解材料的特性。这一发展在一定程度上引发了我们正在经历的材料革命。随着人们对材料的兴趣不断增长，新的生物材料和合成材料也将不断出现，现在可以像制造计算机一样制造数字材料和可编程材料了。

近年来，数字材料被定义为一组材料零部件，这些零部件能以精确但可逆的方式进行组装和拆卸。数字材料这一概念可以应用到DNA、乐高积木、压配式组装件或许多其他独立构件中。然而，数字材料的这个定义并不能完全直接地说明材料的性质。在实现材料可编程的过程中，当然会涉及模块构建，但它对材料的属性依赖很大。可编程材料不但携带数字信息，可以实现零部件的挨个组装或拆卸，而且其各组分都可以携带信息、感知刺激，并以复杂的方式作出反应。这样，我们就得到了从数字材料进化而来的完全可编程的材料。

如今，我们往往只把计算与笔记本电脑或手机联系在一起，而忽略了使计算成为可能的材料性能。也许是因为电脑里的元器件太小，我们看不到现在数字化计算机的内部工作原理；此外，计算机运行依赖的是看不见的电子过程，这一过程极其复杂，普通用户很难理解。可以说，我们大多数人其实并不能真正理解计算机是如何运行的，而只是把它当成理所当然，就像魔法一样。也可能是因为科技发展得如此之快，以至于当我们轻松键入一行代码或快速发送一封电子邮件时，完全忘记了是晶体管中的硅、电路板中的焊料，甚至是复杂的电路等这些非常具体的材料及其特性才使这些“计算”成为可能。根据摩尔定律，芯片上组件的数量会越来越多，尺寸也越来越小，可见，如今我们对经常用来打字输入代码的物理计算机的认识，与对其内部能够进行计算的微小零部件的认识出现了严重脱节。

随着我们的世界渐渐虚拟化，计算设备越来越多，每天的视频会议越来越多，周围的虚拟现实产品越来越多，这也就很容易解释为什么我们曾经被蛊惑，认为未来是数字的而不是物理的。然而，当我们对数字化联系越来越多而物理联系却越来越少开始感到奇怪时，我们意识到数字化联系的增多不一定以减少物理联系为代价。随着数字设备的使用越来越多，我们不再线下见面，不再共同欣赏那些实实在在的自然风景，这实际上创造了对物理联系的新需求。以全球暴发的新型冠状病毒肺炎(5)疫情为例，大家的许多互动都被降级为网上联系，而这十分清晰地凸显了我们日常生活中的物理联系及与物质实体的接触多么重要。因此，随着我们的世界变得越来越数字化，我们实际上需要彼此之间、与我们的产品、与我们的现实环境建立越来越多的物理联系。我们现在意识到，最美好的未来是这两个世界可以完美地连接在一起。我们可以利用数字化技术和物理材料创造一个混合和互联的世界，而不是虚拟化或数字化世界与模拟的或物理的世界割裂开来。

计算的本质仍然是物理的，一如往常。它仍然依赖于准确的材料特性，如电导、电容、密度、刚度、不透明度，甚至依赖来自我们双手的键盘输入。激活材料的核心是发现这些材料的新特性，并延伸这一基本事实。它试图想象和开发出不同形式的计算，这种计算可以具备当今隐形数字计算的所有优点，同时可以利用人类范畴的物理属性，比如那些我们可以看到、感觉到、触摸到，甚至可以用来娱乐的物理属性。我们通常认为计算机是静态的和电子化的，现在是时候采用一个新的视角来看待这件事情了。我们不再局限于计算机屏幕的范围内，而是力图实现以数字化联系和物理联系共生为中心的计算愿景，将计算机和材料的能力结合在一起。那么，这将如何改变我们看待周围世界的方式呢？