人工智能时代：破解人机共存密码（套装共10册）

2006年，我在数字计算和数字通信并行发展的启发下，给数字材料下了一个定义：由一组离散零件构成的材料，以一组相对位置和方向的离散集合方式进行组合，其过程是可逆的。这些属性允许通过局部约束确定整体的几何形状。组合过程中的错误可以被识别和修复，不同的材料可以被连接起来。最终，材料可以被拆卸和重复利用，而不会被简单丢弃。单个要素可以大规模生产，定制是通过要素的组合方式来实现的。成型、轧制、冲压和合成等工业生产过程可以低成本大量复制零件。乐高积木和氨基酸就是这类系统组件的典型例子。

还不能确定的一点是，通过离散装配和拆卸过程而非连续的增材制造和减材制造可以制造出多少其他东西。现今制造的最高性能结构之一是大型喷气式飞机的机身。为了减轻飞机的重力，同时仍然保持其承载巨大负荷的能力，制造商现在通过将碳纤维的长丝缠绕在环氧树脂基质中的方法制造机身。最新的飞机——波音787飞机和空客A350飞机——都需要在其供应链上投资数十亿美元来生产复合零件，它们需要一个机身或机翼大小的工具来铺设纤维丝，需要另一种更大的工具来压缩和固化树脂基质中的纤维丝。然后，这些巨大的零件必须通过长距离运输才能进行最终组装。

2008年，在制造过程中，我面临了一个严重的问题：如何在不引入接头薄弱部位的情况下连接复合材料零件。现在，我们可以通过钻孔螺栓或胶水将零件连接起来。尽管模型飞机已经能够通过3D打印技术被打印出来，但仿佛也没什么效果，原因有两个：一是3D打印机的尺寸较小，远不及大型喷气机，二是它们无法匹配复合工具的材料性能。

2012年，我和我的学生张永安（现在正在进行美国国家航空航天局的一个制造研究计划）发现，与其缠绕一根长纤维或挤出大量短纤维，不如组装比结构尺寸小的纤维环，这对于机身来说相当于几厘米宽。基于数字材料的概念，我们大规模生产碳纤维复合环，然后将它们连接在细胞结构中，这创造了最高模量（最硬）超轻材料的世界纪录，因为我们没有加入几个特定的大部件，而是制造了能以任意大小或形状组装的稀疏填充的体块。我们现在正在开发类似于机器人的核糖体来放置这些部件，这些部件通过附着和相对于它们正在构建的结构的移动来工作，这样，这些“组装器”通过提供纤维环就可以构建整个机体。对于这个应用，不需要放置单个原子——纤维环是基本的构建模块。通过添加第二种部件类型——可以弯曲，无须始终保持僵硬，我们证明了这些结构能以设计规定的方式变形，例如，飞机机翼能够像鸟的翅膀一样不断地改变形状，而不是通过旋转现有机翼上的刚性控制襟翼改变形状。变形机翼一直是航空领域的长期目标，它们更加高效灵活，但先前的尝试受到了所需机制的重力和复杂性的阻碍。我们的机翼由这些模块组装而成，所以它们成了有效的机械装置。

我们可以通过组装较小的部件来制造更精细的物体。虽然您可能希望在光滑的表面上看清其离散结构，但请记住以前在荧光屏上观看的视频和利用胶片拍摄的照片。从早期的粒状数码相机和块状计算机显示器开始，现在的相机和显示器的分辨率已经可以超过人眼的分辨率了。因此，图像几乎被普遍记录下来，并被视为离散图像元素，这种离散的图像元素被称为像素。数字材料由离散的3D体积元素（或体素）构成。一旦这些元素的尺寸缩小到百万分之一米左右，它们就不再能被我们的肉眼所感知了。

除了用于制造结构既刚性又灵活的零件，我们还可以使用更多类型的零件制作更多的东西。如果你聚焦于一台计算机，首先就会看到机箱，然后是连接在印刷电路板上的连接器上的线束。电路板上有独立部件和集成电路。集成电路包含的无数元件组成了集成电路中最小的部分，其尺寸接近1纳米，即1/1 000 000 000米，相当于数十个原子排列在一起的长度。但向数字材料的过渡不需要从这些最小的特征开始，部件可以分阶段更换。

线路和连接器的标准间距是1/10或1/50 000英寸。得捷电子^[4]（Digi-Key）是我购买的电子元件的供应商，拥有50万个连接器。这不是库存量，而是不同模型的数量。不同模型的区别在于其不同的位置数量、行数以及运行方式。它们都可以只由两种较小的部件组成，即导电部件和绝缘部件。然后，连接器被连接到电路板上，电路板上具有蚀刻于薄片层上的导电迹线，其标准尺寸为1/10 000英寸。就连制造过程极为困难的层间运行通孔以及电路板，都可以再由导电部件和绝缘部件组装而成。

电路板上也有诸如电容器、电感器和电阻器这样的分立元件。电容器包含电场，用于滤波器和电源。得捷电子公司拥有大约50万个容量和包装尺寸各不相同的电容器。同样，这些也可以由导电部件和绝缘部件组装而成，对于包含磁场的电感器亦是如此。如果部件的尺寸达到1微米，即1/1 000 000米，部件的电容和电感的密度就有可能与如今的制造方式相匹配。调节电流的电阻器需要另一种部件类型——纯电阻。通过结合电阻、导电部件和绝缘部件，你可以匹配得捷电子公司库存中的50万种电阻的价值和包装。你能想到这一点吗？

到目前为止，我们最多使用了三种类型的零件来替换数百万个组件。用于逻辑电路的晶体管需要更多材料——导电性可变化的半导体，掺杂的版本可以提高消耗的电子的数量。移动物体的发动机需要更多的部件——永磁体和引导磁场的材料。总之，这个部件目录中包含了几十种类型，可以重现大部分现代技术的功能。这恰好与生物学中氨基酸的数量相当，但这些人造的部分具有某些生物学中没有的特性。

库存的急剧减少有一系列深远的影响。首先，零件的装配者将受到影响，微型机器人相当于一个孩子正在放置的一块乐高积木。这个装配者最终是一个真正的个人制造者，用一个单一的集成过程取代了微观装配“数制”工坊中的一系列机器。其次是对供应链的影响。装配工在需要几十种类型的零件的原料，如今的微观装配“数制”工坊要求许多供应商提供它所需要的所有类型的消耗品。第三个影响是可逆性结果。垃圾的存在反映了它所包含的信息的缺乏。离散拆卸与离散组装对称，数字材料部件可以重复使用多个周期，直到错误率高达需要重新制造的水平。这种循环利用周期标志着垃圾填埋场的做法已经过时，现在，任何废弃物都将成为新建筑的部分“建筑材料”。组装和拆卸的组合增加了可重构性。你可以不断地修改产品，以反映你不断变化的兴趣和需求，而不是做出保留某些事物或处理某些事物的决策。

所有这些属性在长供应链的末端都尤为重要。其中最长的供应链是将物品送到外层空间：围绕地球运行的卫星运输成本高昂，其价值大致相当于黄金。因此在任务结束时，由于没有办法重复使用它们的部件，卫星只能在大气层中燃烧或变成太空垃圾。制造可拆卸和可重新配置的航天器逐渐成为数字材料应用的早期驱动力之一。

原位资源利用这一术语的含义是航天器在没有行李的情况下进入太空，就地取材而非从地球上运送材料。关于这一目标的工作通常有一个隐含的假设，即最终目标是通过工业革命的各个阶段，使技术在地球上得以复制。关于如何做到这一点，有这么一个例子——由戴维·金格里撰写的一系列极为精彩的丛书。第一本书是关于如何制作一个木炭炉，接下来，这些书的内容包含通过手工工具发展出一个完整的机器工厂。

2016年，我与20世纪福克斯公司和美国国家航空航天局合作，为电影《火星救援》（The Martian）家庭版的发行举办了一次探索“搬到火星”背后的科学的活动。数字材料的发展为实现技术文明这一深刻问题提供了一个与众不同的答案。你需要了解几十种材料的特性（导电、绝缘、磁性等），将这些材料组成离散的模块，然后组成一个社会，而不是再次以获得50万种电阻器、电容器和连接器的库存为结束。

无所不在_：从1到1 000 000 000 000

路线图的最后阶段是从每个人的数字制造发展到每件事物的数字制造。这一阶段对应的是互联网是如何从计算机传播到人再到事物的。它将通过对机器和材料的结构进行数字化来完成。得益于材料本身的可编程性，机器与其制造的东西之间的区别消失了。

如果想了解这个数字制造阶段，考虑装配过程的速度，我们可以通过一个简单的计算查找现存的严重问题。目前最快的同类操作是喷墨打印机，其产量为每秒10 000滴。如果以这种可观的速度（即每秒

10 000立方毫米）创建一个1立方米的物体，那么这个过程大约需要一天时间。这相当于一个3D打印机制造一个大而精致的产品所需要的时间。但是，如果零件尺寸缩小到0.1毫米，制造1立方米物体所需的时间则要增加到3年；如果零件的尺寸再缩小到原来的1/100（1微米，即肉眼可见和手指可感知的极限），零件制造时间增加到300万年，这就需要我们等待很久，有生之年无法完成工作。

这个过程可以通过一次放置多个工作部件来提速，比如我们可以安装多个打印机喷嘴以增加喷墨打印机的打印速度。同时使用更多的零件也许可以将速度提升10倍或100倍，但同时放置上百万个零件，这也是不切实际的，因为零件之间对相对偏差具有敏感性。生物领域对于这个问题的解决方案是“复制”。制造蛋白质的核糖体也制造核糖体。组成细胞的核糖体的数量因细胞构造的不同而差异很大，但每个细胞中的核糖体数量可达数百万。这么多的分配工同时工作，我们使用这些微米级部件去填满1立方米空间的时间将低至30年——虽然仍要花费很长时间。核糖体制造蛋白质，蛋白质构成细胞，细胞再制造更多的细胞。人体大约有10¹³个细胞，所有细胞中的核糖体一起工作可以将组装细胞的时间缩减至0.1毫秒。然而，核糖体自我复制的速度要慢得多，它们以每秒一个单位（氨基酸）的速度运行，整体复制的时间长达一秒钟。此外，并非所有的细胞都含有那么多核糖体，如果每个细胞有1 000个核糖体，那么要放置10亿个部件的时间大约是一分钟。

我这里要讲述的并不局限于这些微小的“拼装工人”如何工作，或者一次能放置多少个部件，更多的是要强调这些“拼装工人”能利用部件来复制自己，使它们的能力呈指数级增加。这种递归对于在同一时间里从最小的部件构建到最大的系统是至关重要的。

对于像T–1000液态机器人那样可以依据指令改变形态的材料，专业术语为“可编程物质”。对于像液态机器人的液滴那样可以自我组合的材料，专业术语为“可自我组装的物质”。不幸的是，上述的“可编程物质”和“可自我组装的物质”都存在于想当然的状态，也就是说，它们目前只存在于研究项目中而在现实世界中不存在。迄今为止的实际成果远未达到愿景，要么是数量较少、复杂程度高但功能强大的机器人模块，要么是大量的无用途的简单组件。

对这两个属性的研究旨在模仿生物生长、进化和自我修复的方式。但是生物的本质核心并不是能自我组装的可编程物质，而是一种具有明确分工的系统。通过信使RNA分子，指令被传送到核糖体，转运RNA分子也运来了氨基酸，核糖体又遵循一个精心编排的编码序列来生成蛋白质。在一个分子伴侣的引导下，将蛋白质折叠成具有一定功能的形式。单个氨基酸自身不具有可编程性，可编程性来自核糖体为了制造核糖体而组装氨基酸的过程。

如果生命体已经可以做到这一切，那我们为什么不能利用它们来生产一切材料呢？虽然对生物体的编程的可行性越来越大，但我们依赖的许多材料还是达不到这一标准。分子生物学还不能合成优良的电导体以长距离输送高压电流和高速的信号，也不能合成抗高温部件以承受喷气式发动机的荷载和高温。

然而，使用非生物材料组装装配机也可以采用同样的引导方式。绝缘的、弯曲的材料可以制作机器的结构，导电材料及电阻可以用作线路及组件，半导体材料可以用来对组装器编程，磁性材料可以让舵机运转以移动装配机。一旦一个装配机被制造出来，它就可以通过自我复制来制造更多的装配机或任何其他部件。复制器就是一个可以利用组合成它自己的部件来组装成新个体的装配机。

这是冯·诺依曼将自我复制机器作为生命模型的科学愿景的实现。进化过程从分子开始，发展到细胞、器官、生物体乃至物种的进化，可以说，现在正在进化的是人类的文明和理念。数字制造路线图的最后一部分，将给进化的比特排列原子的过程完美地画上句号，反之亦然。

（本章由尼尔撰写）

[1] 1英寸≈0.025 4米。——编者注

[2] Formlabs公司为专业用户提供一整套桌面光固化3D打印系统，让3D打印更直观可靠，产品精度极高。——译者注

[3] 弗兰克·盖里生于加拿大多伦多的一个犹太人家庭，17岁后移民美国加利福尼亚州，成为当代著名的解构主义建筑师，以设计具有奇特的不规则曲线造型和雕塑般外观的建筑而著称。——译者注

[4] 得捷电子是世界著名的电子元件目录分销商，于2013年在中国上海成立其全资子公司——得捷电子（上海）有限公司，正式设立上海客服中心，服务中国客户，并接受人民币付款。——译者注

第6章

未来的现实

尼尔为我们勾画出一张技术路线图，使我们得以一窥未来半个世纪的数字制造技术发展前景。1965年的戈登·摩尔不是算命先生，如今的尼尔也不是，他只是提前洞悉了过去10年技术的加速发展趋势并描绘了未来的发展轨迹——决定这一轨迹走向的，是数字技术的基本原理、动态研究路线图以及不断发展的数制生态系统。

有了这张路线图，就等于身处于假想中那个1965年的咖啡店里，学习当时戈登·摩尔的观点，并预测未来数字电脑的发展。与摩尔定律一样，如果拉斯定律是正确的，那么在未来的55年里，数字制造的能力会是现在的10亿倍。这样的设想在很多方面给我们提供了非常真切的可能性，它能使生产民主化，把我们不论是制造的、销毁的还是改制的物品进行转化，能让许多人制造他们现实中的消费物品——创造一个自给自足、相互联系的可持续发展社会。这就是一次机遇！

然而，要实现这样的一次机遇又是另一码事。拉斯定律并没有被篆刻在石碑上。数字制造的发展速度以及不断涌现的新技术对社会发展的影响不是由一些无形的手控制的。拉斯定律的成长取决于个人和组织机构对提升数字技术的效能及扩大数字技术的运用范围的投入和决心，也离不开为社会创造价值并减少损害的目标。

现在，我们已经观察到“数制”工坊改变生活的早期迹象，但是没人能保证数字制造技术的积极潜能是否可以完全实现。社会体系过去的记录很清晰——人们并没有直接接受新的技术，因为人们坚信数字制造技术带来的积极影响完全可以实现。人类和组织机构的行为必须改变。原先的体系也需要改变，新的生态系统必须发展起来。可以引领社会发展并巩固体制建设的那些深深嵌在我们脑中的规则和假设需要被重新塑造。

我们为编写本书采访了一些人，尽管他们对技术路线图的方方面面多少有些不同看法（比如个人制造普及到家庭的时间和方式），但他们对技术变革潜力的认识却有广泛的一致性。路线图未必按照尼尔的设计思路如期展开，但大家一致认为，未来几十年数字制造能力和覆盖范围将提高很多个数量级，并对社会产生深远影响。