可重編程材料實現選擇性自組裝

科技日報北京10月23日電 （記者張夢然）創建自動化結構或機器的過程至今仍是自上而下的，需要人工、工廠或機器人進行組裝和製造。然而，大自然組裝的方式普遍是自下而上的。美國麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室研究人員引入了可塗覆於機器人立方體的磁性可重編程材料，讓它們自行組裝。過程的關鍵是使這些磁性編程對它們連接的對象具有高度選擇性，從而自組裝成特定的形狀。

研究人員使用的柔性磁材料塗層來自廉價的冰箱磁鐵，賦予每個立方體的每個表面都帶有磁性特徵。簽名確保每個面在平移和旋轉中都選擇性地吸引所有其他立方體中的另一個面。

所有立方體都能以非常精細的分辨率進行磁性編程。一旦它們被扔進水箱（演示中使用了8個立方體），完全隨機的干擾，它們就會相互碰撞。如果遇到錯誤的伴侶，它們會放棄；但如果找到合適的伴侶，他們會“依戀”。

這就好比一套傢俱部件，需要將它們組裝成一把椅子。傳統上，需要一組指令來手動將零件組裝到椅子上（一種自上而下的方法），但使用研究人員的方法，這些相同的零件一旦被磁性編程，只需使用一個使它們發生碰撞的隨機干擾，就會選擇性地自組裝。

研究人員稱，這項工作在自組裝特定結構的分辨率、成本和功效方面向前邁進了一步。以前的自組裝工作通常要求單個零件在幾何上不相似，就像拼圖一樣，這需要對所有零件進行單獨製造。但是，使用磁性程序，可批量製造同質零件並對其進行編程以獲得特定的目標結構，重要的是，對它們進行重新編程可在以後獲得新的形狀，而不必重新制造零件。

使用該團隊的磁性繪圖機，可將一個立方體插回繪圖儀並重新編程。每次繪圖儀接觸材料時，它都會在立方體的柔性磁塗層上創建一個“北”或“南”方向的磁性像素，讓立方體在需要時重新用於組裝新的目標形狀。在繪圖之前，搜索算法會檢查每個簽名與所有先前編程的簽名的相互兼容性，以確保它們具有足夠的選擇性以成功自組裝。

【總編輯圈點】

我們習慣的裝配方式是什麼？即便你拿到的是一堆傢俱零件，它也是通過先確定整個產品的佈局，再按順序設計每個部件的方法制造出來的。換句話説，得先有整體桌子的設計，才能有桌子腿。這就是自上而下，一種從過去到現在一直存在的方法。但文中的例子很有意思，零散的組件會自己去找位置和部件，拼裝成“最合適”的樣子。這一場景在我們眼中可能很科幻，實際上卻符合了大自然自下而上的方式，就像是兩種註定要結合的蛋白質一樣。這種結合迄今仍是個謎團，但交給新的組裝方式，或能讓科學家一窺其門徑。