在埃里克·德梅恩（Erik Demaine）年满投票年龄但开始攻读计算机科学博士学位之前不久，他来到了纽约市参加一年一度的 OrigamiUSA 大会。他最近对这个爱好产生了兴趣，因为他认为它背后的数学可能是一个引人入胜的论文课题。在展会上穿梭时，德梅恩看到了平常的纸艺作品——精致的昆虫、蓬松的兔子——但他还了解到更复杂的形式，例如用一张纸折出的三节火车模型。那辆火车，就像许多精巧的折纸作品一样，源自一种称为“箱式折叠”的基本折叠模式。
箱式折叠于 20 世纪 60 年代中期开发，是一种由垂直和水平折痕组成的网格，并辅以一些恰当布置的对角线。一位名叫埃马纽埃尔·穆瑟（Emmanuel Mooser）的瑞士物理学家推广了这种模式，他用它创作了如今被称为“穆瑟火车”的作品，这是折纸领域的一项伟大成就。在展会上，德梅恩开始想，箱式折叠是否可以用于创作更大、更复杂的设计。它能折叠成穆瑟的喷气式客机、穆瑟的火箭飞船，或者穆瑟的全尺寸核潜艇吗？
2001 年，年仅 20 岁的德梅恩加入了麻省理工学院的计算机科学系，成为一名教授。他是该大学有史以来最年轻的教授。2003 年，他获得了麦克阿瑟天才奖。到那时，他已经放弃了箱式折叠，转而研究其他折叠方面的课题。但几年后，穆瑟火车又在他脑海中轰鸣起来。他开始与另一位麦克阿瑟奖得主、机器人学家和计算机科学家丹妮拉·鲁斯（Daniela Rus）合作，设计“可编程物质”。他们想创造一种由相互连接的面板组成的片材，通过按一下按钮就能变成任何物体，从沙发床到计算机。为此，他们需要一个简单且足够通用的折叠模板，能够处理多种不同的形状。德梅恩从箱式折叠开始。
德梅恩与两位学生以及他的父亲马蒂（Marty，一位技术讲师和麻省理工学院的驻场艺术家）一起，通过数学证明了箱式折叠没有限制。一张纸，如果足够大，就可以折叠成比模型火车更多的东西。它可以变成宇宙中几乎任何东西。在此工作的基础上，德梅恩、鲁斯以及哈佛大学的一位合作者将该模式应用于一套由玻璃纤维和树脂组成的面板，并制造了一个可以从船形折叠成飞机形的机器人。如果这项技术能够规模化，采用更小面板的类似设计有一天可以演变成电子书阅读器、智能手机或从网上下载的任何其他设计。
德梅恩纯粹根据自己的好奇心选择项目，而不考虑它们会导向何处。对许多科学家来说，可编程材料的工作可能成为漫长而迷人职业生涯的中心，但对德梅恩来说，它只占据了他研究组合的一小部分。他的折叠数学为汽车制造商设计安全气囊提供了参考。他曾勾勒出“星际迷航”式的复制器如何利用 DNA 和 RNA 片段工作的设想，与考古学家合作破译印加编码语言，并与父亲一起创作了纸雕作品，这些作品现在是纽约现代艺术博物馆的永久收藏。他最新的项目可以被描述为计算玻璃吹制。通过模拟玻璃在各种条件下的行为，他可以帮助玻璃吹制师改进他们的技术并开发新设计。
31 岁的德梅恩已经发表了近 300 篇论文，并获得了无数荣誉，包括2003 年的《Popular Science》十大杰出奖。很容易将他的成功归因于纯粹的天才，但这将忽略他工作中最重要的一点。德梅恩不关心应用，甚至不定义专门的研究领域，而是纯粹根据自己的好奇心选择项目，而不考虑它们会导向何处。在别人寻找答案的地方，德梅恩寻找问题。“我收集问题，”他说，“问题是万物的关键。”
德梅恩的办公室位于麻省理工学院 32 号楼六楼，这是弗兰克·盖里（Frank Gehry）设计的计算机科学与人工智能实验室的所在地。在我到访的那天，德梅恩穿着 T 恤和黑色牛仔裤坐在办公桌前。我们还没聊上 15 分钟，一个比他稍矮、年长一些的版本就走了进来，加入了谈话。埃里克的父亲马蒂也穿着同样的“制服”：T 恤和黑色牛仔裤。和他的儿子一样，他也梳着马尾辫，戴着一副椭圆形镜框眼镜，留着些许胡须。
无论是否刻意，他们相似的外表都暗示着一生都在密切合作。马蒂和他的妻子分开后，他带着年仅七岁的埃里克，开始了为期四年的公路旅行，从他们位于新斯科舍哈利法克斯的家出发，横跨北美，一路进行家庭教育。当埃里克上大学时（达尔豪斯大学的行政人员打破了规则，以便接受一名 12 岁的学生），他的父亲就坐在他旁边一起上课。然后马蒂跟着儿子去了安大略省的滑铁卢大学，埃里克在那里完成了他的博士学位，然后又一起去了麻省理工学院。
父子俩每天一起工作。不在校园时，他们经常结伴参加科学会议，进行联合讲座和演示。（其中一次，马蒂扮演一个愤怒的听众，但在中途摘下假发，揭示了这个恶作剧。）他们曾在即兴表演中并肩演出，而且至今仍然住在一起。在埃里克所做的所有工作中，与父亲一起的项目往往最具传染性，因为它们会反馈到他的其他兴趣中。埃里克和马蒂经常说他们在研究“娱乐性算法”，埃里克说，这“算是他们为乐趣而做的任何事情的统称”。
近年来，埃里克和马蒂撰写了关于鲁班魔方、涉及骰子的脑筋急转弯以及悬挂画框的棘手方案的论文。即使是埃里克更严肃的工作，例如模拟蛋白质折叠的动力学或开发提高计算机效率的算法，也源于相同的冲动：“它必须有趣，”他说。“归根结底，我所做的一切我都或多或少地视为一种娱乐，因为我喜欢这样做。”
他办公室的书架上摆满了玩具、装饰品和与马蒂一起制作的折纸作品。“我感觉自己是个游戏鉴赏家，”他坐在一个连接到 Nintendo Wii 的 52 英寸电视机旁说。“我尝试玩几乎所有的游戏，至少玩一会儿，以了解不同的类型。”最近，他和马蒂正在进行的一些项目似乎不像游戏，更像是对荒谬的研究。例如，他们一直在公园里将面包屑撒成一个圆圈，看看鸟儿如何反应。另一个项目是研究意大利面形状的几何学。他们还计划将一只鸽子锁在一个面包做的笼子里，让它可以通过啄食的方式逃脱。这些项目现在可能看起来毫无意义，但很难说玩耍会导向何处。
他们还计划将一只鸽子锁在一个面包做的笼子里。这个项目现在可能看起来毫无意义，但很难说玩耍会导向何处。
天才与玩乐心灵的巧合在科学史上源远流长。其中最著名的例子之一是 19 世纪的苏格兰物理学家和神童詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。14 岁时，麦克斯韦写下了他的第一篇科学论文，内容是关于他设计的一种用销钉和线追踪曲线的方法。在他二十出头时，作为三一学院的会员，他对旋转陀螺产生了兴趣。他给玩具的顶部贴上彩色的纸，然后像旋转的饼图一样旋转它们。他记录了颜色在运动中是如何混合的。麦克斯韦发现，红色、绿色和蓝色可以混合成任何颜色，这一发现最终促使他发明了彩色摄影。
“进行突破性研究的唯一方法就是不断地玩弄现象，”生理学家、麦克阿瑟奖获得者罗伯特·鲁特-伯恩斯坦（Robert Root-Bernstein）说。鲁特-伯恩斯坦和他的妻子米歇尔（Michele，一位历史学家和密歇根州立大学的兼职教授）研究了创造力以及科学天才如何体现。（他们合著了一本关于创造过程的书，名为Sparks of Genius。）“如果你没有这种玩乐精神，”鲁特-伯恩斯坦说，“你就永远无法获得必要的广泛经验，从而在某种意义上偶然遇到某件事。”
麦克斯韦的例子只是玩乐促进科学发现的一个例子。亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现青霉素的灵感可能来源于他对用鲜艳的微生物绘制琼脂平板的热情。（恰好，青霉菌是鲜艳的蓝绿色。）量子理论家理查德·费曼（Richard Feynman）在康奈尔大学食堂观看一个抛掷的盘子在空中摇摆后，开始了关于电子轨道进动的研究。“这就是玩乐的作用，”鲁特-伯恩斯坦说。“你学会了游戏的所有规则，然后你就知道什么时候发生了意料之外或有趣的事情。”
在天普大学，心理学家凯西·赫什-帕塞克（Kathy Hirsh-Pasek）测试了玩耍与儿童创造力之间的联系。在一项实验中，她给四到六岁的孩子一组管道清洁器、回形针和铝箔。她让一个小组自由玩耍；她让另一个小组思考这些物品可能有什么用途；她让第三个小组使用这些物品建造特定的工具，例如桥梁或梯子。然后，她挑战孩子们想出办法让一只熊过河。赫什-帕塞克发现，第二组——也就是那些参与她所谓的“引导式玩耍”的孩子——提出了最具创造性的解决方案。她说，同样的道理也适用于科学家：当他们可以自由地玩弄一套已知的问题时，他们就会做出最好的工作。
“不是孩子是小科学家——而是科学家是大孩子。”加州大学伯克利分校的心理学家艾莉森·戈普尼克（Alison Gopnik）看到了幼儿和科学家之间的明确联系。她进行的研究表明，孩子们通过玩耍周围的世界来做自己的实验。“我们经常说的一件事是，不是孩子是小科学家——而是科学家是大孩子，”她告诉一位采访者。“科学家实际上是为数不多的一些成年人，他们有受保护的时间，可以只是探索、玩耍，弄清楚世界是什么样的。”
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周四晚上，埃里克的班级聚在一起研究几何折叠领域的未解决问题。当研究生们陆续到来时，他在黑板上写下了一系列问题。其中一个问题涉及一个盒子里的名片，他把名片放在桌子上。学生们能想出办法将它们变成互锁的八面体吗？另一个问题涉及一张方形纸。他们能从中折出最大的正四面体吗？
学生们很快就从座位上站起来，开始在黑板上涂写。很快，他们就分成小组，勾画想法或在笔记本电脑上输入想法。每个团队都有自己的方法。有些使用尺子和胶带；有些则手绘。埃里克则用他的触控笔在一块平板电脑上写笔记，分发建议并讲笑话。这些自由奔放的会议常常会产生发表的论文，而四面体问题甚至可能有一些有用的应用：它可以教会制造商如何更有效地利用金属板。
一如既往，埃里克的父亲马蒂也在房间里，在纸片上画下自己的想法。有一次，他向学生们展示了他正在做什么，学生们便围过来观看。他想出了一种奇特的折叠一系列三角形（四面体四个面）的方法，从一堆更小的形状中折叠出来。这是其他人没有想到的计划，但埃里克在审视草图时摇了摇头。他和马蒂有时看起来更像兄弟，而不是父子。
“嗯，这是另一种玩耍的方式，”马蒂说。“它非常概念化，但我认为它有潜力。”之后他会在工作室里尝试制作一个可行的模型，埃里克也会去看看。当马蒂不在身边时，埃里克甚至可能会自己做一些修改——这都是他们流程的一部分。
“我们非常了解彼此，这使得我们成为一个非常有效的组合，”埃里克说。“他总是在试图为我的严肃工作注入一些玩乐精神。这让我们能够做一些我们任何一个人自己都做不到的事情。”它也让他们能够做其他学者永远不会尝试的事情。
在他们众多宏大的想法中，玩耍是科学基础的观念可能最深刻。它也可能构成埃里克对他的领域做出最大贡献的基础。当学生们离开教室时，他们已经花了两个小时涂鸦、折纸、做数学，并普遍地享受着。他擦干净了黑板。当我后来问他为什么选择以这种方式教学时，他简单地回答：“我认为这是一种很酷的工作方式，应该有更多人这样做。可惜，不是每个人都这样做，所以我想把它传承下去。”
_丹尼尔·恩格伯（Daniel Engber）是特约编辑，负责撰写每月一期的FYI 专栏。本文最初刊载于《Popular Science》2013 年 2 月号。_
