可编程物质——太极

王雨辰

上海交通大学巴黎高科卓越工程师学院

本科生

1 概要描述与关键技术

1.1 概要描述

随着纳米级微机械、微芯片和分布式信息技术的发展，我们将能够制造可以像软件编程一样个性化、可塑造、可重复编程的物质材料。我们可以将这种材料方便地变形成需要的任何东西，因此，我将之命名为“太极”。

微观上看来，“太极”的基本单位是一种类似纳米机器人的微机械、微芯片结构，其尺寸在微米甚至是纳米级。每个这样的“原子”都有简单的信息传递，能量传递，相互固连等基础功能。其与纳米机器人的区别在于，“原子”无法单独工作，它需要与大量的其他“原子”组合成完备的功能性结构体。“太极”可能由完全一样的一种“原子”构成，也可能由多种不同的“原子”按一定比例组成。

宏观上看来，如图1所示，“太极”就像一种超级橡皮泥，我们可以通过编程的方式，指挥其“原子”单位排列连接，组成任何结构，从而实现我们需要的功能。

1.2 关键技术基础

1）微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）

“太极”的基本单位“原子”本身即是一个纳米级的微电子机械系统，单个“原子”可以实现信息、能量、力的存储和传递，部分特殊“原子”还需要实现计算、传感、表面构成等其他功能。这些功能基本都已实现微型化，然而离达到微米甚至纳米级还有很长的路要走。

这是系统的核心技术，需要超精密机械加工技术，也需要微电子、材料、力学、化学、机械学诸多学科领域的配合发展。

2）分布式计算及存储（decentralized algorithm and storage）

早期版本的“太极”可以和一些关键器件协同工作，如CPU、发动机等。完整版太极的计算也应当由“原子”们协同完成，这就需要分布式计算和存储这一新兴技术的支持。

3）自组织系统（self-organizing system）

自组织系统即通过本身的发展和进化而形成具有一定的结构和功能的系统。类似生物体，“太极”能以大量的简单“原子”组成自身的具有复杂功能的类有机体，并且在一定程度上能自动修复缺损和排除故障，以恢复正常的结构和功能，这也是其变形能力的基础。如何模拟及应用大自然中普遍存在的这一系统，是实现“太极”变形能力的关键。

1.3 实现路径要点

（1）实现具有信息、能量、力的存储和传递能力的微米级基本“原子”以构成“太极”的基础。这一阶段的“太极”通过3D打印技术完成形变，可以有限地改变本身的物理化学性能，配合电池、CPU等不易实现的关键部件可以直接3D打印出电脑、汽车等复杂物件，但分解和重组都依赖外部打印装置，不具有自动变形的功能。

（2）实现“太极”的自动变形，意味着其组成的物件可以在通用关键部件的前提下自动相互转换。如“太极”汽车可以自动变形成飞机，共用发动机和能量来源，“太极”手机可变形为电脑，共用CPU。

（3）实现纳米级“原子”，逐步覆盖更多的关键部件。例如，相对于CPU，发动机的结构尺度更大，较易先一步实现“太极”化。最终，达成几乎任意日常用品之间的相互转化。

2 应用意义与前景

目前为止，科学界对所谓可编程物质的探索仍停留在相当宏观且功能单一的阶段，如在电脉冲等刺激下可自行折叠的纸张。这样的物质与可化万物的“太极”仍有着很大的差距。

如果图2这样的“太极”出现，电影《变形金刚》中的汽车人就不再只是梦想，你的汽车可以随时变成飞机、小船、潜艇；你的手机可以随时变成平板电脑、手表、眼镜甚至是一件衣服穿在身上；你的笔帽可以变成一张纸，书写完后变回笔帽，在你需要纸上的内容时又变回写好的纸张；已有的产品可以像软件一样在线升级，购买新的产品已经不需要缓慢而高能耗的实物流通，而只是光速的信息传输……

到那时，信息技术彻底实体化，生活所需的一切非消耗品几乎都可以相互转化。作为人工产物的极致，“太极”不仅极大地方便我们的生活，提高工作效率，更能节省各种其他物质材料的消耗和浪费，降低物流运输需求，保护我们的自然环境。