周济：人工物质开启人工智能与人工生命新征程
以下文章来源于中国科协之声 ，作者周济
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超材料作为具有超常性质的人工材料，为获得人工物质提供技术路径，也为人工智能和人工生命的实现带来新可能。本文探讨了物质、智能及生命系统的关联与重构，评述了超材料在人工智能系统中的应用，还分析了用超材料构建人工生命的可能性。
近日，中国科协会刊《科技导报》刊发了我国信息功能材料专家、中国工程院院士周济教授的文章《从“人工物质”到人工智能与人工生命》。我们特此摘录，以飨读者。
周济
周济是信息功能材料专家，主要从事超材料研究。1962年2月出生于吉林省九台县。1991年毕业于北京大学化学系，获理学博士学位。2017年当选中国工程院院士。
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，人类文明的发展与对自然物质的改造探索紧密相关。数十万年前，人类对石头进行物理加工，进入石器时代；此后，人类发明多样材料技术对物质进行“建构”。16 - 17世纪起，近现代科学诞生，人类实现了对物质的“解构”。21世纪，人类开始探索物质的“重构”，超材料就是其中一条路径。
超材料是人工构造的、有超常性质的人工物质，它提供了发展新材料的新范式，即通过人工设计创造“人工物质”。这些新物质和范式不仅影响材料科学技术，还可能延伸到智能和生命领域。基于“人工物质”构造人工智能与人工生命是意义深远的课题。
物质 - 智能 - 生命的关联及其重建
智能是物质的高阶属性，其功能基于物质系统的复杂相互作用。超材料可建立物质与场的相互作用机制，为人工智能实现提供手段。
生命系统是自然物质系统运行的最高形式，探索人工生命是重大课题。借助人工物质的可设计性和人工智能，能否推进人工生命系统的构筑？相关研究可能拓展科技与人类文明的新领域。
智能源于物质系统的复杂相互作用，自然智能的基础是物理智能。一种学说认为宇宙是巨大计算机，物质运动是自然计算过程。
物质运动规律也是生命起源进化的基础。地球上生命始于单细胞生物，其智能行为源于简单物理智能系统。5亿年前多细胞生物出现，部分进化出神经元网络形成高级智能成为动物，部分仍以简单物理智能生存繁衍。
可见，生命与智能基于物质的物理化学机制。超材料有望提供新原理和机制，为智能和生命系统重构带来可能。基于超材料的多种智能架构已被提出，有望推动智能物质在多维度实现突破，为人工智能提供算力支撑，也为人工生命形态构造提供物理载体。
基于超材料的人工智能
超材料有望建构新计算架构，解决AI算力问题。光计算技术有高速、大容量等优点，但受光学器件衍射极限制约。超材料能在亚波长尺度调制电磁波参数，有望与芯片技术兼容集成，为光计算系统提供理想平台。前期研究已证明其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团队用超材料实现多种数学运算，发展出片上集成超材料系统。光学超表面在光神经网络有独特优势，在多个领域有应用前景。
在具身智能领域，超材料也优势明显。具身智能是分布式物理智能，生物系统将传感等功能嵌入物理结构执行任务。超材料的物理性能和可设计性，为模拟分布式物理智能提供平台。通过设计微结构单元，可实现传统材料难以达到的特性，为具身智能创新提供可能。用于具身智能的超材料可实现传感等功能，利用其可编程机械响应特性可设计柔性机器人，且能以更少能量执行复杂任务。
超材料能否成为人工生命的突破口
生命具有有序结构、智能形式和自我复制能力。20世纪40年代，冯·诺依曼提出自复制理论，但未能实现实体自复制。其自复制机系统由通用构造器、通用拷贝机和控制器构成，实现实体自复制的难点是找到集三种功能于一体的机器。理论上，超材料策略有可能获得这样的机器。
近年来，美国麻省理工学院两个团队的工作值得关注。Tibbits教授提出自下而上构筑智能和自我复制行为的思想，并演示磁性小球聚集体的自我复制实验。分子与比特研究中心研制出基于模块化结构单元的自我复制机器人系统，能进行多种组装。这两项工作都通过设计人工单元实现人工结构自复制。
构建人工生命的路还很长，目前的自复制机器还很初步，且自我复制只是生命系统的基本特征之一。但基于超材料构建自复制系统的思路带来了希望，其价值和影响难以估量。
超材料为人工智能发展和人工生命建构提供了有利条件。基于人工物质的人工智能与人工生命可能成为交叉科学课题，拓展科学、技术与文明的新领域。
原标题：《周济：从“人工物质”到人工智能与人工生命》
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