欢迎来到四叶草堂，我是龙笑生。如何在海上航行时计算经度？麻省理工学院自组装实验室主要是做什么？敬请关注“四叶草堂”，今天开始分享《新材料革命》一书的精彩部分。
早在18世纪初，英国木匠兼钟表匠约翰·哈里森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？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。
工业革命以来，实际上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。
随着计算机的发展和数字革命的展开，人类与材料的这种疏离状态变得越发普遍。数字化和虚拟化的发展倾向于将普通人与材料割裂开来，并使我们相信“智能制造”意味着是由非常“聪明”的人，或可模拟人类智能的软硬件数字系统实现的。但无论是人类智能，还是生物智能，最终都建立在简单的材料，而不是计算机芯片或机械零部件之上。当前，我们已经越来越无法欣赏和了解材料智能了。
在麻省理工学院(MIT)自组装实验室(Self-Assembly Lab)，你可以看到建筑师、设计师、艺术家、工程师、计算机科学家，以及其他许多研究自组装、新材料的性能或新制造工艺等各种课题的人。我们探索自组装技术在产品设计、生产制造、建筑施工和大规模场景中的应用。立足于设计学、科学和工程学的交叉融合，我们是一所兼具创造性与探索性，坚持简洁设计美学与技术性能并存，时刻遵守设计原则，力图将想法变成现实的科研实验室。究其发展核心，我们的工作完全基于一个信念，即不需要复杂、昂贵且以设备为中心的解决方案，就能生产更智能、更高性能的产品，并实现环境的可持续发展。我们寻求使用简单的材料，利用材料与环境的相互关系来设计和创建一个更活跃、适应性更强且更逼真的世界。例如，在自组装实验室，我们已经探索了自然物体、家具、电子设备，甚至陆地建造中的物理零部件进行自组装和自组织的现象。通过了解和探索材料性能，利用材料的可编程性，赋予简单的材料和环境以新的功能，我们已实现材料性能的智能化，并将其内置于产品中，从而实现产品规模化生产甚至定制化生产。通过使用新纤维材料，我们生产出了能够适应温度或湿度变化的服装和纺织品，穿上这样的衣服，人们可在奔跑中保持身体的凉爽或干燥；我们生产出了大小、形状或功能都可改变的家具，它们在海运过程中可实现平板包装，运到后再自行组装。此外，利用多种材料快速打印，我们能量身定制一些新型医疗设备，当它们被置入人体时，能够适应人体内部环境，不需要其他复杂操作即可扩张动脉或气管。从最大的应用范围来看，像沙子这样简单的材料也可以成为一种媒介，利用海洋能量来促成新岛屿或海岸线的自组织。
当谈到给材料编程时，我们指的是什么？这种情况又是如何实现的？我们可从一个一般定义开始：编程就是创建一组可执行的指令，这些指令是特定媒介可以执行或处理的。显然，这是编程的一个非常普遍的定义。这里用的是“媒介”而不是“计算机”，因为，我们可以把一个程序嵌入任何媒介中。每当执行一组指令时，就在执行一种程序。对材料进行编程，就是将这样的指令嵌入其中，以让材料做出逻辑判断，感知环境并做出反应。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。活性物质，这个词代表相关研究人员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。从本质上讲，这些新兴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。
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。
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。
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。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。
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