刘兴亮 | 极简「可编程物质」发展史

01

今天谈一个非常冷门但又十分有趣的科学门类——可编程物质。

犹记得小时候用磁铁玩游戏，在一块铁毡上放置一堆铁屑，手持一块磁铁在铁毡下来回滑动，这些铁屑就会齐刷刷直立起来，随着磁铁来回摆动，在视觉上形成「操纵、摆布」的游戏效果。

在此过程中，铁屑就像一个个可以被「重构」的材料，获得了生命力，彼此均匀排列，整齐地来回摆动和移动。这让我想起物理学中关于材料内部分子的各向同性这种特性。

今天要谈的「可编程物质」就有些类似上述在磁铁影响下的铁屑。所谓可编程物质，是指能够根据用户输入或自主感知到的程序命令，以可编程方式改变其物理特性（形状、密度、模量、电导率、光学特性等）的物质。

它通常由大量微小的、相互关联的模块组成——就像一大堆铁屑那样的集群。这些模块就像无数变量，不仅可以移动，还能重新排列、组合、激活，从而实现宏观层面的形态和功能上的转变。

怎么说呢，你若参加过或者看过几百上千人那种变换队形（通过队伍中不同颜色个体的移动组合新的图案）的大型团体操，就能理解可编程物质的直观表现，这些体操队伍中的个体就是可编程物质，个体越多，组合性和变化就越丰富。

02

有人或许会问，这种材料能干吗呢，我们又不需要变戏法。且不说任何技术只要被人发明出来就一定蕴含着深远的应用场景，单就这种可编程物质说，最常见的应用可算是液晶屏。

现在的年轻人可能没用过显像管原理的显示器，其笨重阻碍了使用的灵活性，这种缺陷随着液晶屏出现消失了。液晶屏是薄薄的一片，空间要求很小，直接促成了电脑向「笔记本」时代的跨越，后来的移动终端都拜液晶屏所赐。

液晶屏的成像原理利用了液晶的特殊物理性质。液晶是一种介于固体和液体之间的物质，具有流动性和晶体的光学特性，在电场作用下，液晶分子的排列方向会发生改变，如果通过控制电流来改变液晶分子的排列方向，就能控制光线的透射或遮蔽状态。

具体来说，通过背光提供的光源穿过偏光片、液晶层（由薄膜晶体管控制）、彩色滤光片和另一片偏光片后，每个像素根据电压变化就显示出不同的亮度和颜色，最终形成图像。不妨明确地讲，液晶屏就是由「可编程物质」构成的。

可编程物质的材料性质特殊，核心是大量的微小模块，具有开放性结构中变量的组合性功能特征，作为变量的模块能够能够相互通信，感知环境，接收和执行指令，根据指令改变它们的位置、方向和连接方式，重塑材料的整体性状。

如此就能制造出通用性更强的产品，并在设计、制造、机器人和医疗等领域带来革命性的改变，其发展具有莫大的潜在影响力。

让我们共同了解一下可编程物质的发展历程。这是一项距离现在很近的新科技，但短暂的历史也颇有看头。

「可编程物质」一词最初由美国计算机科学家Toffoli和物理学家Margolus于1991年提出，最初是指空间中排列的一组细粒度计算元素。

他们的论文描述了一种计算基底框架，它由分布在整个空间的细粒度计算节点组成，这些节点仅使用最邻近的信息交互进行通信。这种节点具备可编程物质的特性。但是类似的概念也可以追溯到较早的时期。

03

早期

19世纪末，人们观察和讨论可变形的灵活的建筑结构，试图通过能够变化组合的简单材料满足多样化的建筑需求。

这些努力专注于创建的组件（建筑中的元素变量）能以不同的方式集成和重新结构。好比相通的立柱和横梁，能够通过数量变化组合出不同面积和高度的房间一样。

1945年以后，微波工程中对人工电介质的研究在二战后获得了显著的关注。这些早期的工程材料确立了制造结构的基本概念，这些结构能够以可预测的、定制的方式与射频波相互作用。

04

中期发展：20世纪

1960年代，人们发现了关键的镍钛(NiTi)合金——镍钛诺(Nitinol)，这是一种形状记忆合金，它明确了材料可重构性的可能性。类似材料能够根据温度或负载「记忆并恢复其原始形状」，也就是说它能够在变化后返回到从前的某种状态——根据不同指令（温度）返回到不同状态。这种材料随后很快得到了大量应用：

1968年，人类首次在太空应用上进行演示（NASA的Nimbus太空船）。

1969年，应用于航空航天领域（F-14的cryofit耦合）。

1975年，首次应用于医疗领域（超弹性正畸装置）。

05

材料的实现：1990年代以后

1990年代初，人们在可重构模块化机器人领域开展了大量工作，其理念类似于可编程物质。随着半导体技术、纳米技术和自复制机器技术的进步，「可编程物质」一词的使用也发生了变化，使人们意识到：构建一个元素集合是可能的。

这些元素可以被「编程」以在现实中（而不仅仅是在模拟中）改变其物理性质。「可编程物质」的含义确定为「任何可以通过编程改变其物理性质的块体物质」。

2002年，塞思·戈德斯坦(Seth Goldstein)和托德·莫里(Todd Mowry)在美国卡内基·梅隆大学启动了claytronics项目，旨在研究如何实现可编程物质所需的底层硬件和软件机制。

其目标是利用微型自组织机器人形成有形的3D物体，这些物体可以根据指令改变形状和颜色（就像擎天柱似的），并且移动、通信和相互粘附，形成一个集体网络，由此创建大规模的物理形态。最终目标是创建一个动态的3D「传真机」，可以传输和实现物体的实体化，从而增强人与人之间的交流，让用户能够像身处同一房间一样与远程物体进行物理交互。

2004年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）信息科学与技术小组（ISAT）对可编程物质的潜力进行了评估和研究。该评估的成果是2005年随后一年中对题为「实现可编程物质」的研究的目标呈现，为可编程物质的研发制定了一项多年计划。

2007年，可编程物质成为美国国防高级研究计划局研究征集和后续计划的主题。

2016年至2022年，法国国家科研署同样资助了由法国科学家Julien Bourgeois和Benoit Piranda在本国的FEMTO-ST研究所主持的多个研究项目，该研究所正是在英特尔和卡内基·梅隆大学发起的Claytronics项目中发挥了主导作用。

21世纪初，出现了在微波和光学范围内表现出负折射率的超级材料。它证明了结构几何可以从根本上超越基础材料的自然电磁响应，从而产生以前被认为在物理上不可想象的特性。

这种结构工程方法与建筑创新的原理相一致，即通过对金属和塑料等常见组成材料进行新颖的排列来实现非自然特性。

总之，这种创新都是通过对材料中的变量进行重新排列组合形成的，也就是说这些材料具有可编程物质的性质。

06

可编程物质作为一种强大的基础材料，其功能极可能随着人工智能的崛起而成为未来新材料中的霸主。这是因为人工智能也具备分散记忆、集成计算的组合特性，或许它广阔的未来对应着的正是可编程物质。让我们拭目以待吧。