前沿 | MIT教授新著：当人工智能走向“自组合”——从“智能机器”到“智能材料”

前沿 | MIT教授新著：当人工智能走向“自组合”——从“智能机器”到“智能材料” 原创 PUP China 普林斯顿读书汇

Editor's Note

目前，“人工智能”已经成为科技巨头们的“兵家必争之地”，大量“智能+”设计的涌现似乎为人类未来生活带来无限可能。但仔细观察，就会发现人们对“智能”的理解越来越局限于“智能机器”，即通过自上而下的程序设定，让机器主动回应人类指令。

MIT副教授 Skylar Tibbits 则在他的新作 Things Fall Together 中挑战了这一既定观念，并从材料视角指出了“智能”发展的不同愿景：让事物能够自行聚合和组装，最终形成具有功能性的结构，并能够随着环境和时间的推移不断调整。

这意味着，“智能”也可以通过“自下而上”的方式实现。在未来，不管是家具还是其他物品，都应该能够实现自组装，即自己建造自己。这听起来像个疯狂的设想，但作者已经提供了一些例子证明了其可行性，点开下文中的视频，就可以一睹为快。

Tibbits 的新作 Things Fall Together 是对即将到来的智能材料时代的前瞻性指南，他在书中大胆地提出了一个诱人的愿景：不久的将来，人们的生活用品、器械建筑将由能够自行组装、自我修复、甚至自我净化、自我完善的智能材料构成，人类与环境之间的关系、关于“生命”“智能”的定义本身，也或将随之发生根本性变革。

PUP作者访谈

Q1

Q：你为什么要写这本书？你希望通过它实现什么目标？

ST (Skylar Tibbits)：我对写这本书感兴趣可能有两个原因。

首先，在过去十年中涌现出了大量的“智能事物（smart things）”，比如“智能”房子、智能汽车或智能鞋子之类。但我们越来越多地将“智能”等同于机器人。这是一个非常奇怪的关系。我乐于挑战这种观念，试图为"智能事物"的未来设定一个不同的愿景。在我们有机器人之前，所有智能事物都是物质材料（material）——简单的、具有能动性的材料，它们可以对其环境做出回应，可以做出决定，可以感知和反应。这是通过材料的视角，而不是通过机电设备的视角。如果我们能够实现这种意义上的“智能”，这意味着我们可以消除或减少对重型化石燃料和电池的依赖。

第二个原因是，在多年来在自我组装实验室的工作中，我们每天都在学习、热爱和实践着一系列令人惊讶的原则，而大多数人却没有想到这些原则。所以，我希望能够清楚地说明这些东西如何工作的基本原则：如果你想造点什么，你不会把一堆乐高玩具扔进洗衣机里任其自生自灭。你会先有一个想法、一个关于什么是可能的自上而下的愿景，然后你才会一块块地建造它们，是你把东西拼组在一起。但在生物和化学世界的很多场合，乃至行星规模的场合，这不会发生。物体都是自己集聚成形的（Things come together on their own）。

Q2

Q：你能告诉我们什么是自组装（self-assembly）吗？

ST：自组装就是无序的零件在没有人或机器操控的情况下建立有序结构的过程。人类从无序的生物材料状态聚集成形、并建立起所有我们作为人类拥有的功能、设计和智能，就是自组装规律的体现。但这一规律同样适用于几乎所有非人造物。所以你可以看看烹饪，烘焙，酿造啤酒等各种有趣的事情。没有大型3D打印机打印出的行星，生物体也没有小锤和螺丝刀用来组装生成人类的精确DNA物质。所有这些东西都是自下而上设计和建造的，也就是说，它们自我组织并自行组装成具有功能性的最终结构。它具有等级、复杂性、行为和智能。

那么问题来了，我们为什么不在我们人类建造的世界中使用它呢？我们人类建造的几乎所有东西都是由少数天才设计师、建筑师、工程师设计，他们将指令发送给人类或机器人，让他们一部分一部分地建造它。因此，这个过程中的一切都是自上而下的，而自然界中几乎所有的东西都是自下而上建造和设计的。这就是我们真正感兴趣的问题：我们能否利用这种现象，并将其用于人类的设计和建造活动。

如果你从未来的角度来考虑，不管是家具还是其他东西，都应该能够自组装，即自己建造自己。这看起来很疯狂。但有很多例子证明这是可能的。在我们的实验室里，我们现在正在研究利用波浪向自组织岛屿输送泥沙。我们做了一个椅子，椅子的所有部件都是独特而不相同的，把这些部件放在水中，它们会在水下翻滚，然后自行聚在一起，形成了一把外形可以自定义的椅子。

部件在水下自行组聚成的椅子

对于产品而言，最大的挑战之一是如何将其打包运送到世界各地。你需要最小化其体积，最小化包裹中的空气。因此，宜家完善了平板包装（flat-pack），但需要耗很大工夫来把平板包装组装成成品。所以，我们的大部分工作都在研究如何既将产品平板化以便于运输，又以最小的能耗将其转换为3D成品。

Q3

Q：你所说的“适应性设计（design as adaptation）”是什么意思？

ST：在过去十年的软件领域，首先开发者会发货，然后他们会在学习的过程中进行更新，不断修改更新软件。在硬件开发中做到这一点有些困难：在制造一些机器或者组件时，很难随着时间的推移更新那个东西。你无法预见所有可能的情况，包括其被使用场合、被使用方式和可能的缺陷。所以对我来说有一个有趣的问题，就是我们能不能有一个设计过程，让我们设计的东西能够随着时间的推移而适应和转变？以便随着所需功能的改变，它也可以通过与环境的关系或通过与用户的关系来自动调整其功能。因此，也许桥梁在需要更坚固的地方变得更坚固，或者在需要更灵活的地方变得更灵活；或者你的鞋子变得更舒适，因为它们开始学习你如何使用它们、你如何走路如何跑步、你在什么地方需要更多缓冲、你在什么地方需要更多支撑。我们的产品可以适应它们的使用方式，并成为最好的版本。

根据压力自行调节的桥梁模型

Q4

Q：你在 Things Fall Together 的结尾写下了这句话：“今天，我们有机会改写我们与物质材料世界的关系，使我们不再是被动的观察者，而是积极的合作者。”这句话是什么意思？

ST：我与你在某件事上合作，是因为你能完成我不能做或想不到的事情，或者我们有互补的技能，共同做一些比一个人做得更好的事情。这是理想的合作。但当我们观察我们周围的物质环境时，无论是建筑环境、自然环境，还是我们设计的产品，都与此截然相反：物质材料像是我们的奴隶，我们说，“砖头，去这里，因为……我让你待在这里，我会把你钉在一起，所以你得留在那里。”我们迫使物质材料就位，而缺乏与它们的合作。我们实际上没有倾听这些物质想要做什么，进而一起合作设计一个更好的结构。

历史上，有大师级的工匠，他们将利用木材的膨胀特性，通过与木材的材料特性和对其所处环境的理解相结合，形成极其坚固和防水的结构以供使用。对我来说，这是一个非常了不起的合作，我们已经失去了这一点，我认为这是从手工艺时代到工业革命的变化。我们开始批量生产，所有的木工都失业了，我们开始做标准的2乘4，我们忽略了纹理和美感。我非常有兴趣尝试重建这种合作，倾听物质材料，与之合作设计产品的结构，如果你没有关注材料或环境各自的特殊属性，这是不可能的。

Q5

Q：至少在西方，人们总是把有机的东西和无机的东西区分开来。人类是有机的，岩石是无机的，它们是完全不同的，但你在 Things Fall Together 中模糊了有机和无机之间的界限。能否谈谈这个问题？

ST：如果你问人们生命是什么？他们会描述许多特征，比如自我复制、自行组装、新陈代谢、生长、进化、智力，你说吧。我们会说这些特征这些东西构成了生命。但如果你仔细研究这些特性中的每一个，它们既在生物系统中得以证实，也在像算法这样的计算系统中得到了显现。在许多情况下，简单的无机材料即非生物材料具有和生命体相同的性质。所以问题是，如果把这些特性拼凑在一起，我们能把这一结合物称为生命吗？我对此表示怀疑。

除非一个物体长得像我们，或者看起来像我们理解的活物，我们就不称它为活物。但从生物的自我复制到机器人的自我复制，再到莱昂内尔·彭罗斯做的令人惊叹的能够自我复制的木块，这些被我们理解为生命之特性的属性可以在许多不同的事物中得到证明。这可以改变我们对“生命”或“智能”的理解。我们实际上可以扩展生命的定义，它可能不是基于碳的，也许这也有助于我们在其他星球上寻找生命。

本文编自PUP对 Skylar Tibbits 的访谈记录，原文链接：

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

PUP作者简介

Skylar Tibbits

Skylar Tibbits 是麻省理工学院自组装工作室的创建者和联席主任，也在麻省理工学院建筑系担任设计研究方向的副教授。他的著作包括 Active Matter 和 Self-Assembly Lab: Experiments in Programming Matter。

PUP新书速递

从可自行建造的家具，到被打印成平板、但可瞬间立体成型的鞋子，再到可自行生长的岛屿，麻省理工教授 Skylar Tibbits 证明了物质材料也能做出人们通常认为生物有机体特有的行为。凭借在自组装和可编程材料技术方面的开创性工作，Tibbits 提出了核心的、违反直觉的想法和策略，挑战了我们关于物质材料的性能的基本假设，为人与物质材料的互动带来了一种新模式，给新的设计和创新路径注入了活力。

今天的智能产品往往依赖于电子产品、电池和复杂的电气机制。Tibbits 提供了一种不同的方法，展示了我们如何设计简单而优雅的智能材料。有朝一日，这些材料可能会自我赋生、自我改进——并在此过程中帮助人类建立一个更可持续的未来。Things Fall Together 令人信服且设计精美，为即将到来的新材料革命提供了专业人士的视角，揭秘了智能活性材料的惊人可能性。

**文章内容仅代表作者个人观点，不代表本公众号立场

**文内图片来自PUP官网

原标题：《前沿 | MIT教授新著：当人工智能走向“自组合”——从“智能机器”到“智能材料”》

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