斯凯拉·蒂比茨

麻省理工学院自组装实验室创建人和联合负责人、建筑系设计研究副教授，新材料革命引ling者，4D打印技术开创者。设计和制作的作品在世界各地的美术馆展出，包括乔治·蓬皮杜国家艺术文化中xin、费城艺术博物馆和古根海姆博物馆等。

已出版书籍《活性物质》《自组装实验室》等。

材料只能作为被动的构件而为人摆布吗？它会不会变成“活的”，可以感知环境、适应环境，并自我组装到一起？如果你对这些问题感兴趣，想预知材料领域的下一场重大变革，《新材料革命》是一本必读书。 麻省理工学院自组装实验室的创始人斯凯拉·蒂比茨，在本书中展示了材料领域新颖的设计和制造方法，表明了材料令人惊讶但仍未被开发的能力；利用看似使熵逆转的方法创造简单的材料“机器人”，通过编程使日常物体或环境“活”起来；挑战传统事物会随着时间流逝而分解的观念，认为物体可以随着时间变得更好；在不远的将来，我们将可以对材料进行编程，使其变得更活跃、更具适应性，并自我进化。

01  可编程，新材料的未来

 

早在18世纪初，英国木匠兼钟表匠约翰 · 哈里森 (John Harrison) 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?这一问题对航海来说至关重要，而且一度让所有人觉得解 决它的希望渺茫，英国议会甚至提出可以为任何能找到实际解决办法 的人提供高额现金奖励。随着全球贸易的增加，海运越来越频繁，船 员们必须准确了解船只相对于地球水平轴的位置。由于受到海上恶劣 条件的干扰，计时器和导航设备不稳定且不可靠，所以，当时航海的方向极其不精确，因迷失方向而发生的沉船事故比比皆是。

科学家和其他人在试图解开这一谜题时，依靠的是天文学、数  学，甚至魔法。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，还改变了我们研究材料的角度，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。从那时起，日常生活中的众多新设备就都应用了这种基于材料的设计机制。例如，恒温器可以利用双金属结构来调节室温或保持发动机的安全运行温度；有些牙齿矫正器由镍钛诺制成，镍钛诺是一种镍钛合金，可以根据体温的变化将牙齿矫正到精确的位置；支架等救生医疗设备使用的也是双金属结构，可以从一种形状转变成另一种形状。此外，通过在高温下以加热和塑形方式在材料中“预先编程”,可以像设定人或机器的行为一样设定材料的行为。例如，当往人体内放置一个支架时，它会先处于非激活状态，以适应狭小的空间，而被体温激活后，又可变形成记忆形状并撑开血管。

然而，这种通过材料来实施简单、巧妙且具有变革性解决方案的方法，在很大程度上仍然局限于少数应用领域，目前还未得到广泛应用。自哈里森时代以来，我们已从以本地化工艺知识指导产品生产的社会，同时也是产品和环境与材料属性实现紧密内在联系的社会，转变为可实现工业化、标准化和规模化生产的社会。实际上，工业革命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。

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。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。

01  可编程，新材料的未来

新的工业革命——材料革命

可编程材料，材料的未来

02  建立数字化世界与物理世界共生的系统

材料计算， 一切材料都可以是计算介质

材料沟通，我们应与材料和电子设备合作

计算没有效率，但更有创意与活力

03  自组织，3个核心要素在无序中建立秩序

设计能量，让结构更好地实现平衡

塑造几何形状，使其能够聚合成所需的全局结构

智能作用力，将正确的部分持续连接在一起

04  精简即智能： 利用越少的材料做的事越多，系统就越智能

自我修复、调整或自调整，不断改进设计

冗余，助力构建一个健全的系统

改变消费者和品牌心态，创造活性产品

05  没有机器人系统的机器人

4D 打印，使部件从一种形状变为另一种形状

材料既是执行器，又是传感器

材料逻辑，嵌入结构中的逻辑机制

可打印的机器人，重新思考机器人的性能

智能衣物，超越复杂的解决方案

06  自下而上地建造，从头开始制造产品甚至环境

像蜂群一样，自下而上地建造

控制，放弃一点控制权会变得富有成效

破坏建筑，也可以是一种建设

07  自下而上地设计，与材料合作

始于材料，而不是设计本身

适应式设计， 一个产品不是在一开始就进行设计

08  逆转，再利用，再循环

定制化，重新定义设计和制造

模块化，像乐高一样的功能性活性材料

自我修复，让材料像皮肤一样具备自愈能力

自拆卸，通过温度、湿度或压力让它实现自分解

生长，制造更智能材料的逻辑延续

09  材料的未来正在演变

融合的学科

通用平台，帮助创建一个“制衡”系统

自我复制，信息从一代传递到另一代174

大规模物种形成

从材料到材料人工智能

 

致谢

参考文献