新的工业革命——材料革命

随着近代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(1)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。然而，我们已经越来越无法欣赏和了解材料智能了。

我经常会想到哈里森和他的海上钟，我也想知道：如果今天面临同样的问题，我们会想出同样简单的解决办法吗？数百年后，随着科技创新和技术进步，即使我们已经准备好超越传统的生产工艺，这种简单的设备发明依然能启发所有人以全新的视角看待设计材料的方式。数字制造技术已崭露头角，合成生物学也不断取得新突破，再加上材料科学和其他科学也实现了突飞猛进式发展，凭借这些，我们不仅可以更好地利用材料的特性，还能以全新方式来创造材料的特性，甚至可能引发一场新的工业革命——材料革命。

在本书中，我以麻省理工学院（MIT）自组装实验室（Self-Assembly Lab）创始人和联合主管的身份，向你介绍这场新兴的材料革命。(2)在自组装实验室，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。

作为科学家、工程师和设计师，我们正横跨学术研究和产业领域，不断寻找设计和创造物理材料及实现物理材料编程的方法，我们所能做的甚至超出哈里森的想象。这些材料可以接收信息，执行逻辑操作，感知信息并做出反应。通常我们在生物自然系统中才会看到类似纠错、重新配置、复制、自组装、生长、进化等独特行为，而如今，我们可以在无生命的物质材料中发现这些行为。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。

正如本书所讨论的，新材料的进步对机器人、服装、家具、医疗设备、制造、建筑，甚至海岸工程等各个领域均会产生深远影响。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。以上这些通过拓展材料新性能，使用途单一的产品变得多功能化，使静态的东西变得逼真和有趣的例子越来越多。

最终，我们需要在更广阔的环境中与材料进行新型协作，与产品建立新关系，通过新的思维角度来看待世界。《新材料革命》这本书认为，我们可以通过简单的设计原则来拓展思维方式，从新角度来思考传统的“静态”机制、产品和环境，并重新定义产品的“智能化”。世界迫切需要高度智能且活跃的“智慧”产品，但目前的智能产品大多价格高昂、设计复杂，而且以电池为动力，易出故障。本书中提到的设计原则指向了一条不同的前进道路。我希望本书能让你停下来思考：为什么一些“智能产品”可能根本没有那么智能？本书的目的就是展示我们如何利用这些现实世界中隐藏的内在可能性，揭示人类与材料的新关系，挖掘其内在的智能。

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。这里我用的是“媒介”而不是“计算机”，因为，正如我将要解释的，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。