通往自组装房屋和变形机器人的道路可能始于像管道一样简单的东西。今天，当我们想为城市输水建造基础设施时，我们会采用容量固定的刚性管道，然后将它们埋起来。该系统运行良好——直到我们需要增加某个区域的水流量或管道破裂。然后我们必须把整个东西挖出来并更换它。
一个不错的替代方案是柔性管道，它可以根据命令或在适当的压力水平下改变形状，或者在破裂时可以自我修复的管道。计算机辅助设计 (CAD) 和材料科学的进步现在使这种管道成为可能。这些相同的进步以及它们实现的新设计形式可能会产生一个可编程物质的世界——能够自行组装、变形为新形状或根据命令改变属性的物质物体。
科学家们已经在制造自组装机器，但它们非常微小——纳米级设备，可作为生化传感器、电子设备或药物输送载体工作。我们感兴趣的是当可编程物质达到人类尺度时会发生什么。实现此目标主要有两种方法。一种方法是创建不连接的构建块，这些构建块可以自主地组合或分离，形成更大的可编程结构。另一种方法是将形状可变的物体构建为单一、完整的结构——物体带有铰链、应力点或嵌入在适当位置的电子设备，使其能够在所需的条件下改变形状。我们将第二种方法称为 4D 打印。与 3D 打印一样，4D 打印也涉及通过逐层铺设材料来构建预连接的物体。然而，在这种情况下，这些物体在打印后可以随时间改变形状或属性。
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可编程物质可以产生节省材料、能源和劳动力的物体。想想一把可以变成桌子的椅子。想想那些柔性、自愈合的水管。它可以使构建复杂的机器成为可能，而无需人工建造。这种系统在恶劣环境中尤其有价值，例如外太空。可以将一个小的、压缩的盒子发射到太空，该盒子在到达轨道后，将自行重新配置成一个功能齐全的卫星。其他太空设备可以配置为多种用途——例如，可以将太阳能电池阵列制造成抛物面天线或存储舱。
但可编程物质也可能产生新的不确定性。想象一下一个可以被黑客攻击的物质世界。变形的飞机机翼可能会遭到破坏。建筑物可能会被命令解体，而里面还有人。随着产品开始从一种形式转变为另一种形式，知识产权也可能变得更加复杂，从而产生美国专利商标局甚至从未远程考虑过的专利问题。存在此类风险更有理由立即开始讨论这项可能具有变革意义的技术，以便从一开始就构建解决方案、控制措施和政策。
无需组装
自 20 世纪 90 年代初以来，少数富有想象力的科学家一直在谈论可编程物质，但该领域在 2007 年获得了巨大的推动，当时美国国防高级研究计划局资助了一个可编程物质项目。DARPA 制定了一项多年计划，用于设计和构建可以变形为更大的军事系统（如物理显示器和专用天线）的微型机器人系统。研究人员将机器人缩小到毫米级，大约是一支铅笔的宽度。几年之内，他们成功演示了微小的变形机器人。
我们中的一位（蒂比茨）一直在研究使用 4D 打印来构建此类机器的方法，而无需机器人机制（电机、电线和电子设备）。在麻省理工学院的自组装实验室，他和他的同事们制作了其他东西，包括一个蛇形物体，由一种特殊的聚合物制成，当插入水中时会折叠形成字母“MIT”；一根聚合物单链，可以从这些字母自转变为字母“SAL”（代表自组装实验室）；一个可以自折叠成截角八面体的平面；以及一个扁平圆盘，当暴露在水中时，会折叠成弯曲折痕的折纸结构。
弗吉尼亚理工大学的克里斯托弗·B·威廉姆斯在打印特殊柔性结构时，将合金线和印刷电路嵌入其中。打印完成后，可以施加外部信号来触发柔性结构的驱动，从而改变物体的形状。这种方法对机器人技术、家具组装和建筑施工具有潜在的意义。
威廉姆斯和我们中的一位（坎贝尔）更进一步，将 4D 打印与纳米材料结合起来。将纳米材料插入打印物体中可以创建多功能纳米复合材料，这些材料可以响应电磁波（可见光和紫外线）而改变属性。例如，该小组打印了一个弗吉尼亚理工大学的标志，其中嵌入了在不同光照下会改变颜色的纳米材料。随着进一步的发展，这些材料可能会催生一类新的传感器，这些传感器可以嵌入医疗设备中，以检测血压、胰岛素水平和其他医疗指标的极端值。
计算挑战
如今，打印静态的“MIT”或“Virginia Tech”标志很容易：只需将您想要的物体的说明输入 3D 打印机即可。但是，打印以后可以改变形状的物体，需要在物体中设计可编程特性，例如应力和弯曲点或嵌入式纳米材料。这种工程提出了棘手的计算挑战，超出了当今 CAD 软件的能力。
假设您想打印一个从桌子变成椅子的东西。从拓扑学上讲，桌子折叠成椅子有很多种方法。然而，这些方法中的大多数在现实世界中都行不通，因为在折叠过程中，物体会撞到自身或自身缠绕在一起。找到最佳解决方案是一项复杂的模拟挑战。研究人员开发了一个物理机制库，这些机制构成了我们想要设计的任何物体的基础——用于折叠、拉伸、扭曲、收缩等的机制。物体的转变取决于这些构建块的集体作用。我们可以以线性方式设计物体——折叠、折叠、拉伸——或者我们可以根据逻辑对其进行编程——如果发生这种情况，就执行此操作；如果发生那种情况，就执行那种操作。
这些组合很快变得非常复杂，以至于难以预测它们的行为，这就是为什么开发新型设计软件是使可编程物质成为现实的第一步。设计师需要计算机来模拟 4D 打印物体的转变，并将他们的设计转化为打印机可以理解的指令。他们需要软件来帮助他们避免难以预见的问题——例如物体在改变形状时自身缠绕在一起。作为实现此目标的第一步，蒂比茨的小组与设计软件公司 Autodesk 合作开发了 Project Cyborg，该项目模拟和优化了 4D 打印物体的动力学。蒂比茨的小组使用 Cyborg 进行设计，使用 Stratasys 公司制造的多材料 3D 打印机以及 Stratasys 开发的一种新型聚合物（浸入水中时膨胀 150%），创建了自折叠的 MIT 标志和其他 4D 打印物体。
到目前为止，可编程物质研究人员设计的大多数物体都相当简单，或多或少只涉及一种类型的关节和两种材料。但是，已经存在构建更复杂设备的材料，一旦我们进一步增加这种多样性，我们就会受到我们的计算能力、我们的想象力和物理定律的限制。
构建块
用于思考可编程物质的一个有用的概念工具是“体素”或体积像素。在计算中，体素是三维空间中的像素。在可编程物质中，体素是构建复杂设备的基本单元。体素可以是不同大小的合成粒子，由从硅到陶瓷到塑料到钛的材料制成。可以定制体素以充当各种子系统中的任何一种——储能设备、致动器、传感器、导体、绝缘体、保护壳、天线甚至微型计算机。可以组装体素，并将其编程为共同改变形状或功能并共同形成不同的物体。
在其最近出版的著作《Fabricated: The New World of 3D Printing》中，Hod Lipson 和 Melba Kurman 使用体素来类比可编程物质和生物生命。毕竟，生物体中的许多蛋白质都是由 22 种构建块——氨基酸组成的。“如果少于 24 种元素类型产生所有生物生命，那么几种基本体素类型也可以开辟广阔的可能性，”Lipson 和 Kurman 写道。可以有硬体素和软体素、用于布线的导电体素、由电阻器、电容器、电感器和晶体管体素组成的电路。“添加致动器和传感器体素，”他们补充说，“你就有了机器人。”
这种机器人引起了美军的极大兴趣。美国陆军和海军已经在开发在舰船或野外 3D 打印备件的方法，因为避免运输和存储数千个备件可以节省时间、费用和空间。可编程物质可以放大这些好处。想象一下潜艇上有一桶体素。如果某个部件坏了或者您需要特定的工具，您只需取出一系列体素并对其进行编程以形成该工具。当不再需要该工具时，您可以命令它解体，留下可用于制造其他工具或部件的体素。
除了零件和工具外，可编程物质还可以提供可根据周围环境和个人生物特征调节隔热和冷却的制服。今年，陆军在一项项目上投资了近 100 万美元，该项目将使用 4D 打印来创建动态伪装。从长远来看——并发挥相当的想象力——可以想象，可编程物质可以用于建造变形机器人，这些机器人可以像电影《终结者 2》中的 T-1000 机器人一样，绕过和穿过障碍物进行变形。
可编程物质有一天可以用于大规模建设，包括军事和民用领域。考虑一下自组装建筑物的可能性。我们不是浇筑砖块或混凝土，而是将建筑物大小的可编程物质体积倒入地基中，然后告诉元素“生长”或“稳定”成一个完整的结构，包括电力和管道。对于您一般的新房建设来说，这可能看起来不必要地复杂，但在恶劣环境中——例如，在战区或火星表面——自组装变得很有吸引力。
自组装的未来
我们只提到了一些可编程物质研究人员未来可能部署其发明的方式。飞机机翼如何根据不断变化的气压或温度改变形状？或者轮胎的抓地表面如何根据道路和天气条件而变化？自修复材料可以保护飞机或帮助桥梁适应交通流量的突然增加甚至地震。自组装家具怎么样？任何在宜家购物过的人都会欣赏一种新的梳妆台，它包装扁平，但在指令下会自动折叠成形。
这些概念听起来可能很神奇，但它们扎根于真实的工程和科学研究。然而，仍然存在很大的障碍。除了它带来的计算挑战之外，可编程物质还将突破材料科学和制造的极限。为了创建那些自折叠的 MIT 和光敏感的弗吉尼亚理工大学标志，我们需要全新的聚合物。建造自组装房屋或变形飞机机翼需要哪些类型的新材料？一旦开发出构建块，我们仍然面临将它们组装成大型复杂物体的挑战。我们如何使体素粘合在一起？我们应该如何对它们进行编程，它们可以使用哪种类型的能量来自行组装？
假设我们成功解决了这些问题，我们仍然会面临前面提到的挑战，包括暴露于黑客攻击和复杂的知识产权问题。我们应该很快有机会解决这些挑战。在过去的一年半中，蒂比茨一直与多家公司合作开发变形材料、产品和建筑系统，坎贝尔和威廉姆斯一直在与一家公司讨论将 4D 打印与纳米材料结合应用作为防伪系统。自组装房屋可能没有看起来那么遥远。