將物質(zhì)編程

傳統(tǒng)材料已有幾十萬種，新的品種還在以每年約5％的速度增加。然而沒有一種能像“可編程物質(zhì)”一樣與當下日漸數(shù)字化的時代精神相契。物質(zhì)可編程的推想如果得到實現(xiàn)，人類將開始營造從工具到設(shè)計，從陳設(shè)到創(chuàng)造的嶄新動態(tài)物質(zhì)環(huán)境。

安德魯· 錢的桌子上停著一輛車，大小只有真實汽車的1/20 。“外形太老土了”，當他的這個念頭一閃而過時，助手已經(jīng)輕輕地捏住車的后備箱?！斑@邊要高一些”，于是，跟橡皮泥做的一樣，車模型在助手的塑造下?lián)碛辛艘粋€抬高的車尾。而模型的外形發(fā)生變化的每一個細節(jié)，都同時被一旁的電腦記錄下來。沒有延遲，也沒有誤差，因為這不是簡單的攝像頭定位記錄，而是模型材料本身把信息傳送給控制的處理器。

“顏色能換嗎？”“可以！紅色行嗎？”助手回到電腦屏幕前選擇更換顏色?？粗{色從車尾向車頭逐步轉(zhuǎn)化成紅色時，安德魯對助手說：“這種可編程物質(zhì)要是開發(fā)成功，PHOTOSHOP 和其他設(shè)計軟件統(tǒng)統(tǒng)要被斃掉了?！?/p>

從虛擬三維到擬真模型

安德魯與助手繼續(xù)調(diào)整仿真車的外觀設(shè)計。他們把車頭的大燈往中間并攏了一些，并且嘗試盡可能壓低車身。當他最后把車廂后座順手拿掉，一輛中規(guī)中矩的轎車徹頭徹尾地變成了帥氣的跑車。這一幕發(fā)生在英特爾公司的研發(fā)部。（事實上，截止目前為止 “可編程物質(zhì)”并沒有完全實現(xiàn)，工程師們僅能依靠特制的半導體元件來演示設(shè)想中的概念。）

在他們的設(shè)想中，無數(shù)個體積細小，性質(zhì)相同的微粒組成就像是純凈的粘土一樣的可塑物質(zhì)。而電腦程序與這個可塑物質(zhì)同時在發(fā)生著數(shù)據(jù)交換，隨時把設(shè)計和創(chuàng)作的細節(jié)產(chǎn)生數(shù)字化的數(shù)據(jù)加以記錄、統(tǒng)計和處理，同時，被數(shù)字化的“塑造過程”也能反過來幫助創(chuàng)作。

可編程物質(zhì)(Programmable Matter) 于2008 年由英特爾首席技術(shù)官賈斯汀（Justin Rattner）在美國舊金山召開的英特爾信息技術(shù)峰會（Intel DeveloperForum）上提出，其目標是希望提供一種全新的外殼材料以取代計算機設(shè)備的外殼、顯示屏和鍵盤等部件現(xiàn)在所使用的單一的材料，讓各種計算設(shè)備能夠像“變形金剛”一樣，實現(xiàn)靈活且有針對性的外觀形狀改變，以適應(yīng)不同的應(yīng)用模式和場景。

工程師們設(shè)想利用“可編程物質(zhì)”完成一項名為“動態(tài)物理渲染”（Dynamic Physical Rendering）的研究。這個項目的目標是研究如何生成各種真實的模型，并把它們使用在醫(yī)學、教育研究或計算機輔助工業(yè)設(shè)計中。

比如，當醫(yī)生在用微型診療設(shè)備對重癥病人進行檢查時，需要實時確定設(shè)備在體內(nèi)的空間位置，以便于根據(jù)需要進行操作。如果我們把醫(yī)學儀器收集的人體數(shù)據(jù)進行整理，那么就可以在電腦上生成一個虛擬的3D 人體模型。進而，我們可以利用可編程物質(zhì)再把虛擬模型制成具有受檢患者個體特征的真實模型。這個模型不僅可以檢測出微型診療裝置在人體內(nèi)的三維空間坐標，還可以看到診療裝置實施的動態(tài)運動軌跡。這將有利于醫(yī)生作出更準確的判斷并采取更合理的措施，也是平面的掃描影像所無法做到的。

人造沙粒的聚合

優(yōu)質(zhì)的陶器來自純潔細膩而有黏性的陶土。然而我們對陶土無法做微觀到分子的數(shù)字處理。“可編程物質(zhì)”則設(shè)想每一個顆粒都可被控制。這是為什么它無法使用傳統(tǒng)的任何一種金屬或化合物來制備。

工程師們設(shè)想首先要制造出一種智能部件。這種被稱為“Catom”微型智能部件微小如沙粒，它們成千上萬地聚集在一起就像陶土的粉末聚集成土塊一樣。使它們聚攏的力量不是分子間的粘合性，而也許將是它們本身具有的磁力。Catom 智能部件通過磁力緊密相連之后，就可以與電腦交換數(shù)據(jù)并且靈活地改變排列方式，從而實現(xiàn)各種各樣的變化。

英特爾在信息技術(shù)峰會上演示了運用光蝕刻法（也就是現(xiàn)在用以生產(chǎn)硅芯片的技術(shù)）制造微型硅半球的新穎技術(shù)。這種微型硅半球是實現(xiàn)功能型Catom 智能部件的基本構(gòu)建模塊之一，它可以十分方便地將必要的計算和機械元件集成在一個不足1毫米的微型封裝中。我們都知道，硅是沙子的主要成分，用硅制成的Catom 幾乎也可以算是一顆沙粒了，它們不同的地方僅僅在于這是顆具有超強運算能力的沙。

Catom 的一切“自由活動”可以全部由電腦控制，而目前對它們的控制思路則完全是依據(jù)分子間活動的規(guī)律。假設(shè)我們想用它來制作一面堅固的盾，此時需要的是強度。我們可以用電腦把Catom 的“間距”這一欄數(shù)據(jù)變小，收到電腦的數(shù)據(jù)編程之后，Catom微粒就會釋放更強的相互作用力，把可編程物質(zhì)的緊密度提高。而當使用可編程物質(zhì)制造的飛行器穿越幾萬光年深入深邃而寒冷的太空，保持溫度也許會是當務(wù)之急。此刻利用程序來控制已發(fā)展成納米級的Catom 微粒高速運動來提高材料本身的溫度，也許將能有效保障某些精密儀器的正常的運作。

通過植入Catom 部件內(nèi)部的“色素細胞”，可編程物質(zhì)就可以像變色龍一樣隨意表現(xiàn)出不同的顏色了。讓我們暫且保守地假設(shè)電腦仍然將充當它的控制平臺，此時只需要在程序調(diào)色板上選取顏色，“色素細胞”就隨之調(diào)整呈現(xiàn)，完成顏色變化。

運算能力決定成敗

或許豐富而隨意的顏色變化能使可編程物質(zhì)在設(shè)計領(lǐng)域大展身手，但其超強可塑的第一特征，注定了它不會僅僅用來實現(xiàn)制造電腦鍵盤之類的簡單用途。這種類似變色龍的特征一定會使它首先被廣泛使用在軍事領(lǐng)域。

想象一下當導彈射向戰(zhàn)車，如果戰(zhàn)車的全部裝甲突然涌向前方，變形成為一個結(jié)構(gòu)致密、厚度是常態(tài)5 倍以上的盾牌時，會是一個什么樣的場景？顯然，這樣的反應(yīng)能力一方面取決于Catom 材料及其變種的開發(fā)，同時也取決于控制Catom 行為的處理器的運算能力。如果運算能力不夠，會造成反應(yīng)力滯后，無疑會把戰(zhàn)斗單位變成一個個活靶子。但是，假設(shè)防御方擁有更強運算能力的處理器，那么在被襲擊時也許不僅僅只是變成“盾”。Catom或許可以在瞬間釋放出相互斥力，把物質(zhì)密度降低成液態(tài)，允許攻擊導彈穿過而本身毫發(fā)無傷。而且，因為每個Catom 都是單獨的單位，理論上能夠支持個別處理，所以只要處理器足夠強大，剛才的那面“盾”甚至可以模擬出太極推手的招式，借力打力把攻擊變成反擊。當運算能力變得更強時，相應(yīng)的或許也會要求Catom 材料本身變得更高級。從目前的技術(shù)來看，除了微型硅原料，半導體納米材料也許是另一種難得的制造Catom 智能部件的好原料，半導體材料中的不同載體元素可以制成不同的傳感器，甚至可代替硅，這樣一來，Catom 智能部件的性能也大大提高了——“變形”速度更快，功耗更低，同時信息存儲量也會更大，到那時一個小小的Catom 智能部件可以同時制成醫(yī)學儀器、電腦鍵盤、汽車外殼等不同領(lǐng)域的產(chǎn)品。

事實上，早已經(jīng)進入納米級競爭的半導體行業(yè)，正在以每隔18 個月甚至更短的一個周期，將其性能提高一倍并且做得更小。如果1965 年所提出的摩爾定律確實可靠（雖無反證，但作為一條商業(yè)定律，其科學性仍飽受質(zhì)疑），目前尺寸仍較大的Catom原型顆粒向納米級進軍應(yīng)該只是10 年內(nèi)的事。