通往自組裝房屋和變形機器人的道路可能始於像管道一樣簡單的東西。今天，當我們想為城市輸水建造基礎設施時，我們會採用容量固定的剛性管道，然後將它們埋起來。該系統執行良好——直到我們需要增加某個區域的水流量或管道破裂。然後我們必須把整個東西挖出來並更換它。
一個不錯的替代方案是柔性管道，它可以根據命令或在適當的壓力水平下改變形狀，或者在破裂時可以自我修復的管道。計算機輔助設計 (CAD) 和材料科學的進步現在使這種管道成為可能。這些相同的進步以及它們實現的新設計形式可能會產生一個可程式設計物質的世界——能夠自行組裝、變形為新形狀或根據命令改變屬性的物質物體。
科學家們已經在製造自組裝機器，但它們非常微小——奈米級裝置，可作為生化感測器、電子裝置或藥物輸送載體工作。我們感興趣的是當可程式設計物質達到人類尺度時會發生什麼。實現此目標主要有兩種方法。一種方法是建立不連線的構建塊，這些構建塊可以自主地組合或分離，形成更大的可程式設計結構。另一種方法是將形狀可變的物體構建為單一、完整的結構——物體帶有鉸鏈、應力點或嵌入在適當位置的電子裝置，使其能夠在所需的條件下改變形狀。我們將第二種方法稱為 4D 列印。與 3D 列印一樣，4D 列印也涉及透過逐層鋪設材料來構建預連線的物體。然而，在這種情況下，這些物體在列印後可以隨時間改變形狀或屬性。
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可程式設計物質可以產生節省材料、能源和勞動力的物體。想想一把可以變成桌子的椅子。想想那些柔性、自癒合的水管。它可以使構建複雜的機器成為可能，而無需人工建造。這種系統在惡劣環境中尤其有價值，例如外太空。可以將一個小的、壓縮的盒子發射到太空，該盒子在到達軌道後，將自行重新配置成一個功能齊全的衛星。其他太空裝置可以配置為多種用途——例如，可以將太陽能電池陣列製造成拋物面天線或儲存艙。
但可程式設計物質也可能產生新的不確定性。想象一下一個可以被駭客攻擊的物質世界。變形的飛機機翼可能會遭到破壞。建築物可能會被命令解體，而裡面還有人。隨著產品開始從一種形式轉變為另一種形式，智慧財產權也可能變得更加複雜，從而產生美國專利商標局甚至從未遠端考慮過的專利問題。存在此類風險更有理由立即開始討論這項可能具有變革意義的技術，以便從一開始就構建解決方案、控制措施和政策。
無需組裝
自 20 世紀 90 年代初以來，少數富有想象力的科學家一直在談論可程式設計物質，但該領域在 2007 年獲得了巨大的推動，當時美國國防高階研究計劃局資助了一個可程式設計物質專案。DARPA 制定了一項多年計劃，用於設計和構建可以變形為更大的軍事系統（如物理顯示器和專用天線）的微型機器人系統。研究人員將機器人縮小到毫米級，大約是一支鉛筆的寬度。幾年之內，他們成功演示了微小的變形機器人。
我們中的一位（蒂比茨）一直在研究使用 4D 列印來構建此類機器的方法，而無需機器人機制（電機、電線和電子裝置）。在麻省理工學院的自組裝實驗室，他和他的同事們製作了其他東西，包括一個蛇形物體，由一種特殊的聚合物製成，當插入水中時會摺疊形成字母“MIT”；一根聚合物單鏈，可以從這些字母自轉變為字母“SAL”（代表自組裝實驗室）；一個可以自摺疊成截角八面體的平面；以及一個扁平圓盤，當暴露在水中時，會摺疊成彎曲摺痕的摺紙結構。
弗吉尼亞理工大學的克里斯托弗·B·威廉姆斯在列印特殊柔性結構時，將合金線和印刷電路嵌入其中。列印完成後，可以施加外部訊號來觸發柔性結構的驅動，從而改變物體的形狀。這種方法對機器人技術、傢俱組裝和建築施工具有潛在的意義。
威廉姆斯和我們中的一位（坎貝爾）更進一步，將 4D 列印與奈米材料結合起來。將奈米材料插入列印物體中可以建立多功能奈米複合材料，這些材料可以響應電磁波（可見光和紫外線）而改變屬性。例如，該小組列印了一個弗吉尼亞理工大學的標誌，其中嵌入了在不同光照下會改變顏色的奈米材料。隨著進一步的發展，這些材料可能會催生一類新的感測器，這些感測器可以嵌入醫療裝置中，以檢測血壓、胰島素水平和其他醫療指標的極端值。
計算挑戰
如今，列印靜態的“MIT”或“Virginia Tech”標誌很容易：只需將您想要的物體的說明輸入 3D 印表機即可。但是，列印以後可以改變形狀的物體，需要在物體中設計可程式設計特性，例如應力和彎曲點或嵌入式奈米材料。這種工程提出了棘手的計算挑戰，超出了當今 CAD 軟體的能力。
假設您想列印一個從桌子變成椅子的東西。從拓撲學上講，桌子摺疊成椅子有很多種方法。然而，這些方法中的大多數在現實世界中都行不通，因為在摺疊過程中，物體會撞到自身或自身纏繞在一起。找到最佳解決方案是一項複雜的模擬挑戰。研究人員開發了一個物理機制庫，這些機制構成了我們想要設計的任何物體的基礎——用於摺疊、拉伸、扭曲、收縮等的機制。物體的轉變取決於這些構建塊的集體作用。我們可以以線性方式設計物體——摺疊、摺疊、拉伸——或者我們可以根據邏輯對其進行程式設計——如果發生這種情況，就執行此操作；如果發生那種情況，就執行那種操作。
這些組合很快變得非常複雜，以至於難以預測它們的行為，這就是為什麼開發新型設計軟體是使可程式設計物質成為現實的第一步。設計師需要計算機來模擬 4D 列印物體的轉變，並將他們的設計轉化為印表機可以理解的指令。他們需要軟體來幫助他們避免難以預見的問題——例如物體在改變形狀時自身纏繞在一起。作為實現此目標的第一步，蒂比茨的小組與設計軟體公司 Autodesk 合作開發了 Project Cyborg，該專案模擬和優化了 4D 列印物體的動力學。蒂比茨的小組使用 Cyborg 進行設計，使用 Stratasys 公司製造的多材料 3D 印表機以及 Stratasys 開發的一種新型聚合物（浸入水中時膨脹 150%），建立了自摺疊的 MIT 標誌和其他 4D 列印物體。
到目前為止，可程式設計物質研究人員設計的大多數物體都相當簡單，或多或少只涉及一種型別的關節和兩種材料。但是，已經存在構建更復雜裝置的材料，一旦我們進一步增加這種多樣性，我們就會受到我們的計算能力、我們的想象力和物理定律的限制。
構建塊
用於思考可程式設計物質的一個有用的概念工具是“體素”或體積畫素。在計算中，體素是三維空間中的畫素。在可程式設計物質中，體素是構建複雜裝置的基本單元。體素可以是不同大小的合成粒子，由從矽到陶瓷到塑膠到鈦的材料製成。可以定製體素以充當各種子系統中的任何一種——儲能裝置、致動器、感測器、導體、絕緣體、保護殼、天線甚至微型計算機。可以組裝體素，並將其程式設計為共同改變形狀或功能並共同形成不同的物體。
在其最近出版的著作《Fabricated: The New World of 3D Printing》中，Hod Lipson 和 Melba Kurman 使用體素來類比可程式設計物質和生物生命。畢竟，生物體中的許多蛋白質都是由 22 種構建塊——氨基酸組成的。“如果少於 24 種元素型別產生所有生物生命，那麼幾種基本體素型別也可以開闢廣闊的可能性，”Lipson 和 Kurman 寫道。可以有硬體素和軟體素、用於佈線的導電體素、由電阻器、電容器、電感器和電晶體體素組成的電路。“新增致動器和感測器體素，”他們補充說，“你就有了機器人。”
這種機器人引起了美軍的極大興趣。美國陸軍和海軍已經在開發在艦船或野外 3D 列印備件的方法，因為避免運輸和儲存數千個備件可以節省時間、費用和空間。可程式設計物質可以放大這些好處。想象一下潛艇上有一桶體素。如果某個部件壞了或者您需要特定的工具，您只需取出一系列體素並對其進行程式設計以形成該工具。當不再需要該工具時，您可以命令它解體，留下可用於製造其他工具或部件的體素。
除了零件和工具外，可程式設計物質還可以提供可根據周圍環境和個人生物特徵調節隔熱和冷卻的制服。今年，陸軍在一項專案上投資了近 100 萬美元，該專案將使用 4D 列印來建立動態偽裝。從長遠來看——併發揮相當的想象力——可以想象，可程式設計物質可以用於建造變形機器人，這些機器人可以像電影《終結者 2》中的 T-1000 機器人一樣，繞過和穿過障礙物進行變形。
可程式設計物質有一天可以用於大規模建設，包括軍事和民用領域。考慮一下自組裝建築物的可能性。我們不是澆築磚塊或混凝土，而是將建築物大小的可程式設計物質體積倒入地基中，然後告訴元素“生長”或“穩定”成一個完整的結構，包括電力和管道。對於您一般的新房建設來說，這可能看起來不必要地複雜，但在惡劣環境中——例如，在戰區或火星表面——自組裝變得很有吸引力。
自組裝的未來
我們只提到了一些可程式設計物質研究人員未來可能部署其發明的方式。飛機機翼如何根據不斷變化的氣壓或溫度改變形狀？或者輪胎的抓地表面如何根據道路和天氣條件而變化？自修復材料可以保護飛機或幫助橋樑適應交通流量的突然增加甚至地震。自組裝傢俱怎麼樣？任何在宜家購物過的人都會欣賞一種新的梳妝檯，它包裝扁平，但在指令下會自動摺疊成形。
這些概念聽起來可能很神奇，但它們紮根於真實的工程和科學研究。然而，仍然存在很大的障礙。除了它帶來的計算挑戰之外，可程式設計物質還將突破材料科學和製造的極限。為了建立那些自摺疊的 MIT 和光敏感的弗吉尼亞理工大學標誌，我們需要全新的聚合物。建造自組裝房屋或變形飛機機翼需要哪些型別的新材料？一旦開發出構建塊，我們仍然面臨將它們組裝成大型複雜物體的挑戰。我們如何使體素粘合在一起？我們應該如何對它們進行程式設計，它們可以使用哪種型別的能量來自行組裝？
假設我們成功解決了這些問題，我們仍然會面臨前面提到的挑戰，包括暴露於駭客攻擊和複雜的智慧財產權問題。我們應該很快有機會解決這些挑戰。在過去的一年半中，蒂比茨一直與多家公司合作開發變形材料、產品和建築系統，坎貝爾和威廉姆斯一直在與一家公司討論將 4D 列印與奈米材料結合應用作為防偽系統。自組裝房屋可能沒有看起來那麼遙遠。