Самый обычный 3D-принтер буквально по крупице выстраивает некий объект в соответствии с заданным в цифровом виде чертежом. Крупицы эти — например, капли разогретого ABS-пластика, — слипаясь между собой и позже отвердевая, образуют намеченную создателем цифрового чертежа форму. Непосредственным исполнителем заданной человеком программы в данном случае выступает сам 3D-принтер, а расходный материал — не более чем косная материя, упорядочением которой занимается внешняя сила. Но что, если сделать эту материю «умной»? Пусть даже не способной принимать осознанные решения (к чему даже компьютерный искусственный разум сегодня не готов), а всего лишь программируемой, т. е. готовой образовывать определённые формы — перемещая тем или иным способом отдельные свои частицы одну относительно другой — в ответ на некие управляющие сигналы?
Простейший вариант программируемой материи давно известен металлургам: это так называемые сплавы с памятью формы (shape memory alloys, SMA). Особая конструкция кристаллической решётки таких сплавов отличается термоупругостью, т. е. способностью преобразовывать тепловую энергию нагрева в механическую работу по возвращению ячеек, растянутых или сжатых в ходе деформации, в исходное состояние. Исходно прямолинейную проволоку из SMA можно изгибать с той же лёгкостью, что обычную медную или алюминиевую. Но при нагреве растянутые ячейки кристаллической решётки сплава с памятью формы (расположенные на внешней границе каждого изгиба) сами собой, а точнее, преобразуя тепловую энергию в механическую, начнут сжиматься, а сжатые (на внутренней стороне) — растягиваться. Это приведёт к распрямлению образца на каждом деформированном микроучастке — и в результате вся SMA-проволочка примет изначальный ровный вид. Сплавы с памятью формы применяются довольно широко, позволяя создавать даже манипуляторы, имитирующие человеческую кисть, — с чисто термомеханическим управлением вместо цифрового (т. е. не требующие микромоторов, сигнальных цепей, датчиков обратной связи и прочей сложной машинерии).
И всё же подлинно программируемыми металлические проволочки из особых сплавов называть трудно: не настолько обширны их возможности. С другой стороны, полнофункциональная «умная пыль» — дискретная программируемая материя, каждая микроскопическая частица которой способна по указанию управляющего центра соединяться с любой другой в заданной точке, — существует пока только в фантастических произведениях вроде оскароносного мультика «Город героев» (оригинальное название — Big Hero 6). Собственно, как раз в научно-инженерном зазоре между давно известными SMA и недостижимой на нынешнем уровне технологий футуристической «умной пылью» и работают сегодня исследователи, занятые проблематикой программируемой материи. Такой, что сама, без привлечения 3D-принтера или иного непосредственно оперирующего расходным материалом макроустройства, способна менять свою форму в довольно широких пределах.
⇡#Всюду (самоорганизующаяся) жизнь
Сверхминиатюризация базовых элементов современной электроники — полупроводниковых транзисторов — всё более приближает исследователей к физическому воплощению «умной пыли». Правда, в наши дни отдельные частицы такой программируемой материи довольно велики, так что скорее следовало бы называть их не пылинками, а, допустим, галькой (в англоязычной терминологии — smart pebbles вместо smart dust). Это полностью автономные устройства с характерным размером порядка единиц миллиметров, оснащённые аккумуляторами, различными датчиками, лазерными и/или радиомодулями связи, реже электромеханическими элементами (MEMS) — и, конечно же, процессором, оперативной памятью и хранилищем данных. Коммуницируя между собой, такие монады программируемой материи могут образовывать высокосвязные сети, готовые к выполнению различных задач — от формирования сенсорных облаков (при малой плотности сети — в агрегатном состоянии «умного газа» — обеспечивающих сбор гораздо более детальной и структурированной информации, чем разрозненные макродатчики) до создания тактильных интерфейсов виртуальной реальности (когда, скажем, берясь за рукоять нарисованного меча в цифровом мире, игрок сжимает ладонь внутри ёмкости, заполненной «умной пылью», — и в захвате его кулака формируется плотная продолговатая структура, точно воспроизводящая виртуальный объект).
Интересно, что прототип «умной пыли» — как и многих других высокотехнологичных разработок — существует в природе уже сотни миллионов, если не миллиарды лет. Так, миксобактерии Myxococcus xanthus — вполне себе добропорядочные одноклеточные — в неблагоприятных условиях демонстрируют коллективное поведение. Когда пищи начинает всерьёз недоставать, огромное количество отдельных миксобактерий собирается в довольно-таки макроскопические агрегаты, образуя так называемые плодовые тела. Основная масса одноклеточных при этом погибает — точнее, перестаёт существовать как обособленный живой организм; становится фрагментом прочной, но биологически инертной стенки общего плодового тела. Наиболее же везучие миксобактерии, убережённые от неприятностей созданной телами сородичей защитной оболочкой, формируют споры — и таким образом получают шанс (когда внешние обстоятельства переменятся и пищи вновь будет в достатке) уже и за себя, и за всех прочих передавать гены своего вида последующим поколениям.
Притом нет никакого внешнего разума, который задавал бы Myxococcus xanthus программу «всем собраться вместе и выстроить плодовое тело, а вот ты, ты и ты — приступайте к образованию спор»: тут имеет место выработавшаяся в ходе эволюции самоорганизация в чистом виде. Миксобактерии, строго говоря, нельзя даже рассматривать как промежуточный этап на пути от одноклеточных организмов к многоклеточным: их коллективное поведение проявляется лишь при определённых условиях, и никакого эволюционного стимула формировать более сложную сборную структуру, кроме как для выживания при особо неблагоприятном стечении обстоятельств, у них нет. Тем не менее способность некоторых простейших к столь изощрённой врéменной самоорганизации могла стать для учёных и инженеров одним из побудительных мотивов к рождению идеи о программируемой материи — уже не имеющей прямого отношения к биологии.
Сам термин «программируемая материя» появился не так уж давно: в 1991 г. его предложили физик Норман Марголус (Norman Margolus) и специалист в области вычислительных систем Томмазо Тоффоли (Tommaso Toffoli). В своей теоретической работе они описали клеточный автомат CAM-8: аббревиатура так и расшифровывается — «клеточная машина-автомат», cellular automata machine, — а порядковый номер 8 указывает на её место в длинном ряду разрабатывавшихся этими исследователями моделей. Рассуждая о возможных применениях CAM-8, Марголус и Тоффоли указали на моделирование течения жидкости и хода химических реакций — и употребили термин «программируемая материя» в контексте того, что определённая пространственная конфигурация элементов предложенной ими машины (вместе с правилами, по которым та действует) целиком и полностью определяет её свойства. Иными словами, что программист как таковой ей не нужен.
Ретроспективно первым по-настоящему удачным демонстратором программируемой материи можно считать известную игру «Жизнь» (
