周济院士：从“人工物质”到人工智能与人工生命

周济

物质是构成世界的实体，人类文明演进的过程与其对自然物质的改造和探索息息相关。从数十万年前开始，人类学会了对自然物质（石头）进行物理加工，从而进入了文明的第一个阶段——石器时代；在此后漫长的时间里，人类发明了多种多样的材料技术将物质变成有用的材料，实现了对物质的“建构”。从16—17世纪起，近现代科学诞生，人类对物质的认识不断深入并系统化，成功实现了对物质的“解构”。21世纪起，在“建构”与“解构”基础上，人类开始探索物质的“重构”，其中路径之一是超材料（metamaterial）。

超材料是一大类人工构造的、具有自然材料所不具备的超常性质的人工物质。与此同时，超材料也提供了一种发展新材料的新范式，即通过人工设计的功能机制并借助于承载这种机制的人工结构单元来实现可设计的功能，从而创造出超越自然物质性质的“人工物质”。这些新物质或新范式的出现，除了深刻地影响了材料科学与技术外，也有可能会延伸到更广阔的领域，例如设计和构筑作为物质高阶属性的智能以及作为自然物质系统运行的最高形式的生命。而基于“人工物质”构造人工智能与人工生命将是一个极为宏大且意义深远的课题。

智能作为物质的高阶属性，其功能的呈现往往基于物质系统中复杂的相互作用。而超材料可通过人工结构建立物质与场的相互作用机制和物理关系，为人工智能的实现提供了一种有力的手段。

超材料作为一种可设计的人工物质，有望建构新的计算架构，为解决当前AI算力问题提供新路径。众所周知，光计算技术因具有高速、大容量、低能耗、并行计算等特点，可大幅提升计算速度，成为未来人工智能的一种优越算力。然而，光计算面临一个重要的瓶颈，即受光学器件衍射极限的制约，单一光器件尺寸较大，难以像电子器件一样做到纳米尺度并实现大规模集成，因此实现大算力光信息处理依然面临挑战。超材料可为这一问题的解决提供出路。作为一类通过人工结构基元实现超材料物理性质的新型材料，超材料能够在亚波长尺度上对电磁波参数（振幅、相位、偏振、线性/角动量和波矢）实现大自由度的调制，且有可能与现有的芯片技术实现兼容与集成，因此有望为大规模集成的光计算系统的实现提供理想的材料平台。一些前期研究已证明了将超材料用于光计算的可行性和先进性。

例如美国宾夕法尼亚大学Engheta团队提出利用超材料与电磁波相互作用实现微分、积分和卷积等数学运算，并通过实验验证了该原理，此后将超材料功能拓展至多方程联立求解、弗雷德霍姆积分方程求解以及高效矢量矩阵乘法运算，发展出片上集成超材料系统，为复杂数学问题提供了超材料解决方案。作为一类二维超材料，光学超表面在光神经网络方面显示出独特的优势，并已在图像边缘检测、数字或图像分类等领域呈现出广阔的应用前景。

在人工智能的另一个领域——具身智能方面，超材料也显示出独特的优势。具身智能本质上是分布式物理智能，这种智能系统中精巧的结构可实现对外界刺激的反应。生物系统在其体内整合分布式物理智能，可将传感、计算、记忆和驱动功能精巧地嵌入到身体的物理结构中，以执行专门和简单的任务。而超材料丰富的物理性能、高度可设计性与可集成性，为模拟实现这种分布式物理智能提供了理想的平台。通过人工设计的微结构单元，能够实现传统材料难以达到的机械、电磁或声学特性，为具身智能技术的创新提供了新的可能性。用于具身智能的超材料通过自身的可编程化，实现重复或无定形方式的传感、促动、计算和通信。利用超材料的可编程机械响应特性（如负泊松比、可调刚度），可设计种类繁多的柔性机器人。这些柔性机器人往往具有单一的可编程结构，将简单的外界输入（例如压力脉冲、电磁场等）转换为复杂的屈曲、拉伸和扭转输出响应。借助于机械超材料中精巧的结构设计，如基于横梁、折纸和剪纸等增强架构和其中的结构中编码变形信息的能力，使得超材料致动器与传统的致动器相比，可使用更少的输入能量来执行复杂的任务。