劉興亮 | 極簡「可編程物質」發展史

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今天談一個非常冷門但又十分有趣的科學門類——可編程物質。

猶記得小時候用磁鐵玩游戲，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，這些鐵屑就會齊刷刷直立起來，隨著磁鐵來回擺動，在視覺上形成「操縱、擺布」的游戲效果。

在此過程中，鐵屑就像一個個可以被「重構」的材料，獲得了生命力，彼此均勻排列，整齊地來回擺動和移動。這讓我想起物理學中關于材料內部分子的各向同性這種特性。

今天要談的「可編程物質」就有些類似上述在磁鐵影響下的鐵屑。所謂可編程物質，是指能夠根據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、電導率、光學特性等）的物質。

它通常由大量微小的、相互關聯的模塊組成——就像一大堆鐵屑那樣的集群。這些模塊就像無數變量，不僅可以移動，還能重新排列、組合、激活，從而實現宏觀層面的形態和功能上的轉變。

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

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有人或許會問，這種材料能干嗎呢，我們又不需要變戲法。且不說任何技術只要被人發明出來就一定蘊含著深遠的應用場景，單就這種可編程物質說，最常見的應用可算是液晶屏。

現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」時代的跨越，后來的移動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。液晶是一種介于固體和液體之間的物質，具有流動性和晶體的光學特性，在電場作用下，液晶分子的排列方向會發生改變，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。

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，每個像素根據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」構成的。

可編程物質的材料性質特殊，核心是大量的微小模塊，具有開放性結構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，感知環境，接收和執行指令，根據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的產品，并在設計、制造、機器人和醫療等領域帶來革命性的改變，其發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的發展歷程。這是一項距離現在很近的新科技，但短暫的歷史也頗有看頭。

「可編程物質」一詞最初由美國計算機科學家Toffoli和物理學家Margolus于1991年提出，最初是指空間中排列的一組細粒度計算元素。

他們的論文描述了一種計算基底框架，它由分布在整個空間的細粒度計算節點組成，這些節點僅使用最鄰近的信息交互進行通信。這種節點具備可編程物質的特性。但是類似的概念也可以追溯到較早的時期。

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早期

19世紀末，人們觀察和討論可變形的靈活的建筑結構，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構。好比相通的立柱和橫梁，能夠通過數量變化組合出不同面積和高度的房間一樣。

1945年以后，微波工程中對人工電介質的研究在二戰后獲得了顯著的關注。這些早期的工程材料確立了制造結構的基本概念，這些結構能夠以可預測的、定制的方式與射頻波相互作用。

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中期發展：20世紀

1960年代，人們發現了關鍵的鎳鈦(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性的可能性。類似材料能夠根據溫度或負載「記憶并恢復其原始形狀」，也就是說它能夠在變化后返回到從前的某種狀態——根據不同指令（溫度）返回到不同狀態。這種材料隨后很快得到了大量應用：

1968年，人類首次在太空應用上進行演示（NASA的Nimbus太空船）。

1969年，應用于航空航天領域（F-14的cryofit耦合）。

1975年，首次應用于醫療領域（超彈性正畸裝置）。

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材料的實現：1990年代以后

1990年代初，人們在可重構模塊化機器人領域開展了大量工作，其理念類似于可編程物質。隨著半導體技術、納米技術和自復制機器技術的進步，「可編程物質」一詞的使用也發生了變化，使人們意識到：構建一個元素集合是可能的。

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

2002年，塞思·戈德斯坦(Seth Goldstein)和托德·莫里(Todd Mowry)在美國卡內基·梅隆大學啟動了claytronics項目，旨在研究如何實現可編程物質所需的底層硬件和軟件機制。

其目標是利用微型自組織機器人形成有形的3D物體，這些物體可以根據指令改變形狀和顏色（就像擎天柱似的），并且移動、通信和相互粘附，形成一個集體網絡，由此創建大規模的物理形態。最終目標是創建一個動態的3D「傳真機」，可以傳輸和實現物體的實體化，從而增強人與人之間的交流，讓用戶能夠像身處同一房間一樣與遠程物體進行物理交互。

2004年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）信息科學與技術小組（ISAT）對可編程物質的潛力進行了評估和研究。該評估的成果是2005年隨后一年中對題為「實現可編程物質」的研究的目標呈現，為可編程物質的研發制定了一項多年計劃。

2007年，可編程物質成為美國國防高級研究計劃局研究征集和后續計劃的主題。

2016年至2022年，法國國家科研署同樣資助了由法國科學家Julien Bourgeois和Benoit Piranda在本國的FEMTO-ST研究所主持的多個研究項目，該研究所正是在英特爾和卡內基·梅隆大學發起的Claytronics項目中發揮了主導作用。

21世紀初，出現了在微波和光學范圍內表現出負折射率的超級材料。它證明了結構幾何可以從根本上超越基礎材料的自然電磁響應，從而產生以前被認為在物理上不可想象的特性。

這種結構工程方法與建筑創新的原理相一致，即通過對金屬和塑料等常見組成材料進行新穎的排列來實現非自然特性。

總之，這種創新都是通過對材料中的變量進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的性質。

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可編程物質作為一種強大的基礎材料，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。這是因為人工智能也具備分散記憶、集成計算的組合特性，或許它廣闊的未來對應著的正是可編程物質。讓我們拭目以待吧。