前沿 | MIT教授新著：當人工智能走向“自組合”——從“智能機器”到“智能材料”

前沿 | MIT教授新著：當人工智能走向“自組合”——從“智能機器”到“智能材料” 原創 PUP China 普林斯頓讀書匯

Editor's Note

目前，“人工智能”已經成為科技巨頭們的“兵家必爭之地”，大量“智能+”設計的涌現似乎為人類未來生活帶來無限可能。但仔細觀察，就會發現人們對“智能”的理解越來越局限于“智能機器”，即通過自上而下的程序設定，讓機器主動回應人類指令。

MIT副教授 Skylar Tibbits 則在他的新作 Things Fall Together 中挑戰了這一既定觀念，并從材料視角指出了“智能”發展的不同愿景：讓事物能夠自行聚合和組裝，最終形成具有功能性的結構，并能夠隨著環境和時間的推移不斷調整。

這意味著，“智能”也可以通過“自下而上”的方式實現。在未來，不管是家具還是其他物品，都應該能夠實現自組裝，即自己建造自己。這聽起來像個瘋狂的設想，但作者已經提供了一些例子證明了其可行性，點開下文中的視頻，就可以一睹為快。

Tibbits 的新作 Things Fall Together 是對即將到來的智能材料時代的前瞻性指南，他在書中大膽地提出了一個誘人的愿景：不久的將來，人們的生活用品、器械建筑將由能夠自行組裝、自我修復、甚至自我凈化、自我完善的智能材料構成，人類與環境之間的關系、關于“生命”“智能”的定義本身，也或將隨之發生根本性變革。

PUP作者訪談

Q1

Q：你為什么要寫這本書？你希望通過它實現什么目標？

ST (Skylar Tibbits)：我對寫這本書感興趣可能有兩個原因。

首先，在過去十年中涌現出了大量的“智能事物（smart things）”，比如“智能”房子、智能汽車或智能鞋子之類。但我們越來越多地將“智能”等同于機器人。這是一個非常奇怪的關系。我樂于挑戰這種觀念，試圖為"智能事物"的未來設定一個不同的愿景。在我們有機器人之前，所有智能事物都是物質材料（material）——簡單的、具有能動性的材料，它們可以對其環境做出回應，可以做出決定，可以感知和反應。這是通過材料的視角，而不是通過機電設備的視角。如果我們能夠實現這種意義上的“智能”，這意味著我們可以消除或減少對重型化石燃料和電池的依賴。

第二個原因是，在多年來在自我組裝實驗室的工作中，我們每天都在學習、熱愛和實踐著一系列令人驚訝的原則，而大多數人卻沒有想到這些原則。所以，我希望能夠清楚地說明這些東西如何工作的基本原則：如果你想造點什么，你不會把一堆樂高玩具扔進洗衣機里任其自生自滅。你會先有一個想法、一個關于什么是可能的自上而下的愿景，然后你才會一塊塊地建造它們，是你把東西拼組在一起。但在生物和化學世界的很多場合，乃至行星規模的場合，這不會發生。物體都是自己集聚成形的（Things come together on their own）。

Q2

Q：你能告訴我們什么是自組裝（self-assembly）嗎？

ST：自組裝就是無序的零件在沒有人或機器操控的情況下建立有序結構的過程。人類從無序的生物材料狀態聚集成形、并建立起所有我們作為人類擁有的功能、設計和智能，就是自組裝規律的體現。但這一規律同樣適用于幾乎所有非人造物。所以你可以看看烹飪，烘焙，釀造啤酒等各種有趣的事情。沒有大型3D打印機打印出的行星，生物體也沒有小錘和螺絲刀用來組裝生成人類的精確DNA物質。所有這些東西都是自下而上設計和建造的，也就是說，它們自我組織并自行組裝成具有功能性的最終結構。它具有等級、復雜性、行為和智能。

那么問題來了，我們為什么不在我們人類建造的世界中使用它呢？我們人類建造的幾乎所有東西都是由少數天才設計師、建筑師、工程師設計，他們將指令發送給人類或機器人，讓他們一部分一部分地建造它。因此，這個過程中的一切都是自上而下的，而自然界中幾乎所有的東西都是自下而上建造和設計的。這就是我們真正感興趣的問題：我們能否利用這種現象，并將其用于人類的設計和建造活動。

如果你從未來的角度來考慮，不管是家具還是其他東西，都應該能夠自組裝，即自己建造自己。這看起來很瘋狂。但有很多例子證明這是可能的。在我們的實驗室里，我們現在正在研究利用波浪向自組織島嶼輸送泥沙。我們做了一個椅子，椅子的所有部件都是獨特而不相同的，把這些部件放在水中，它們會在水下翻滾，然后自行聚在一起，形成了一把外形可以自定義的椅子。

部件在水下自行組聚成的椅子

對于產品而言，最大的挑戰之一是如何將其打包運送到世界各地。你需要最小化其體積，最小化包裹中的空氣。因此，宜家完善了平板包裝（flat-pack），但需要耗很大工夫來把平板包裝組裝成成品。所以，我們的大部分工作都在研究如何既將產品平板化以便于運輸，又以最小的能耗將其轉換為3D成品。

Q3

Q：你所說的“適應性設計（design as adaptation）”是什么意思？

ST：在過去十年的軟件領域，首先開發者會發貨，然后他們會在學習的過程中進行更新，不斷修改更新軟件。在硬件開發中做到這一點有些困難：在制造一些機器或者組件時，很難隨著時間的推移更新那個東西。你無法預見所有可能的情況，包括其被使用場合、被使用方式和可能的缺陷。所以對我來說有一個有趣的問題，就是我們能不能有一個設計過程，讓我們設計的東西能夠隨著時間的推移而適應和轉變？以便隨著所需功能的改變，它也可以通過與環境的關系或通過與用戶的關系來自動調整其功能。因此，也許橋梁在需要更堅固的地方變得更堅固，或者在需要更靈活的地方變得更靈活；或者你的鞋子變得更舒適，因為它們開始學習你如何使用它們、你如何走路如何跑步、你在什么地方需要更多緩沖、你在什么地方需要更多支撐。我們的產品可以適應它們的使用方式，并成為最好的版本。

根據壓力自行調節的橋梁模型

Q4

Q：你在 Things Fall Together 的結尾寫下了這句話：“今天，我們有機會改寫我們與物質材料世界的關系，使我們不再是被動的觀察者，而是積極的合作者?！边@句話是什么意思？

ST：我與你在某件事上合作，是因為你能完成我不能做或想不到的事情，或者我們有互補的技能，共同做一些比一個人做得更好的事情。這是理想的合作。但當我們觀察我們周圍的物質環境時，無論是建筑環境、自然環境，還是我們設計的產品，都與此截然相反：物質材料像是我們的奴隸，我們說，“磚頭，去這里，因為……我讓你待在這里，我會把你釘在一起，所以你得留在那里。”我們迫使物質材料就位，而缺乏與它們的合作。我們實際上沒有傾聽這些物質想要做什么，進而一起合作設計一個更好的結構。

歷史上，有大師級的工匠，他們將利用木材的膨脹特性，通過與木材的材料特性和對其所處環境的理解相結合，形成極其堅固和防水的結構以供使用。對我來說，這是一個非常了不起的合作，我們已經失去了這一點，我認為這是從手工藝時代到工業革命的變化。我們開始批量生產，所有的木工都失業了，我們開始做標準的2乘4，我們忽略了紋理和美感。我非常有興趣嘗試重建這種合作，傾聽物質材料，與之合作設計產品的結構，如果你沒有關注材料或環境各自的特殊屬性，這是不可能的。

Q5

Q：至少在西方，人們總是把有機的東西和無機的東西區分開來。人類是有機的，巖石是無機的，它們是完全不同的，但你在 Things Fall Together 中模糊了有機和無機之間的界限。能否談談這個問題？

ST：如果你問人們生命是什么？他們會描述許多特征，比如自我復制、自行組裝、新陳代謝、生長、進化、智力，你說吧。我們會說這些特征這些東西構成了生命。但如果你仔細研究這些特性中的每一個，它們既在生物系統中得以證實，也在像算法這樣的計算系統中得到了顯現。在許多情況下，簡單的無機材料即非生物材料具有和生命體相同的性質。所以問題是，如果把這些特性拼湊在一起，我們能把這一結合物稱為生命嗎？我對此表示懷疑。

除非一個物體長得像我們，或者看起來像我們理解的活物，我們就不稱它為活物。但從生物的自我復制到機器人的自我復制，再到萊昂內爾·彭羅斯做的令人驚嘆的能夠自我復制的木塊，這些被我們理解為生命之特性的屬性可以在許多不同的事物中得到證明。這可以改變我們對“生命”或“智能”的理解。我們實際上可以擴展生命的定義，它可能不是基于碳的，也許這也有助于我們在其他星球上尋找生命。

本文編自PUP對 Skylar Tibbits 的訪談記錄，原文鏈接：

https://press.princeton.edu/ideas/ideas-podcast-things-fall-together

PUP作者簡介

Skylar Tibbits

Skylar Tibbits 是麻省理工學院自組裝工作室的創建者和聯席主任，也在麻省理工學院建筑系擔任設計研究方向的副教授。他的著作包括 Active Matter 和 Self-Assembly Lab: Experiments in Programming Matter。

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從可自行建造的家具，到被打印成平板、但可瞬間立體成型的鞋子，再到可自行生長的島嶼，麻省理工教授 Skylar Tibbits 證明了物質材料也能做出人們通常認為生物有機體特有的行為。憑借在自組裝和可編程材料技術方面的開創性工作，Tibbits 提出了核心的、違反直覺的想法和策略，挑戰了我們關于物質材料的性能的基本假設，為人與物質材料的互動帶來了一種新模式，給新的設計和創新路徑注入了活力。

今天的智能產品往往依賴于電子產品、電池和復雜的電氣機制。Tibbits 提供了一種不同的方法，展示了我們如何設計簡單而優雅的智能材料。有朝一日，這些材料可能會自我賦生、自我改進——并在此過程中幫助人類建立一個更可持續的未來。Things Fall Together 令人信服且設計精美，為即將到來的新材料革命提供了專業人士的視角，揭秘了智能活性材料的驚人可能性。

**文章內容僅代表作者個人觀點，不代表本公眾號立場

**文內圖片來自PUP官網

原標題：《前沿 | MIT教授新著：當人工智能走向“自組合”——從“智能機器”到“智能材料”》

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