刘兴亮 | 极简「可编程物质」发展史

排行榜 2025年10月11日 15:54 1 admin

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。

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。

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。

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）。

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。