هذا أنا أبني نموذجا أوّليا لمدّة 6 ساعات متتالية. هذا عمل شاقّ لمشروعي الخاص. هذا ما يبدو عليه أن تقوم بالأمور بنفسك. وهذا شبيه بعمليّات البناء و التّصنيع اليوم بطرق بحث شاملة. وهذا تماما سبب بدئي في دراسة كيفيّة برمجة المواد الماديّة على بناء أنفسها.
This is me building a prototype for six hours straight. This is slave labor to my own project. This is what the DIY and maker movements really look like. And this is an analogy for today's construction and manufacturing world with brute-force assembly techniques. And this is exactly why I started studying how to program physical materials to build themselves.
لكن هناك عالم آخر. اليوم، على المقياس الدّقيق و النانويّ، هناك ثورة لا مثيل لها. وهذه القدرة على برمجة المواد الفيزيائية و البيولوجيّة وتغيير الأشكال، تغيير الخصائص وحتّى حوسبة خارج مادّة قائمة على السيليكوم. بل أنّ هناك برمجيّة اسمها كادنانو تسمح لنا بتصميم أشكال ثلاثيّة الأبعاد مثل الرّوبوتات النانويّة أو أنظمة توصيل الأدوية واستعمال الحمض النووي لإعادة تجميع ذاتيّة لهذه الهياكل الوظيفيّة.
But there is another world. Today at the micro- and nanoscales, there's an unprecedented revolution happening. And this is the ability to program physical and biological materials to change shape, change properties and even compute outside of silicon-based matter. There's even a software called cadnano that allows us to design three-dimensional shapes like nano robots or drug delivery systems and use DNA to self-assemble those functional structures.
لكن إن نظرنا من وجهة نظر الإنسان، هناك العديد من المشاكل التي لم يتمّ التّعامل معها عبر تلك التكنولوجيّات النانويّة. إن نظرنا إلى البناء و التّصنيع، هناك العديد من القصور، استهلاك الطّاقة وتقنيات العمل مفرطة. لنأخذ مثالا من البنية التحتيّة. مثلا الأنابيب. بعض أنابيب المياه لها قدرة محدودة على الاستيعاب إذ أنّ لها معدّلات تدفّق محدّدة، إلاّ إذا كانت أنابيبا وصمّامات باهضة الثّمن. ويتمّ دفنها تحت الأرض. إن تغيّر أيّ شيء -- إن تغيّرت البيئة، الأرض تتحرّك، أو الطّلب يتغيّر -- نضطرّ للبدء من نقطة الصّفر، إزالة الأنابيب و استبدالها.
But if we look at the human scale, there's massive problems that aren't being addressed by those nanoscale technologies. If we look at construction and manufacturing, there's major inefficiencies, energy consumption and excessive labor techniques. In infrastructure, let's just take one example. Take piping. In water pipes, we have fixed-capacity water pipes that have fixed flow rates, except for expensive pumps and valves. We bury them in the ground. If anything changes -- if the environment changes, the ground moves, or demand changes -- we have to start from scratch and take them out and replace them.
لذلك أرغب في اقتراح مزج هاذين العالمين معا، عالم المواد النانوية المبرمجة القادرة على الـتّأقلم وعالم بيئة البناء. وأنا لا أتحدّث عن آلات ممكننة. لا أتحّدث وحسب عن آلات تعوّض البشر. بل أقصد المواد المبرمجة القادرة على بناء ذاتها. ويسمىّ ذلك بالتّجمبع الذاتيّ، وهو عمليّة تقوم من خلالها أجزاء فوضويّة ببناء هيكل منظّم عن طريق التّفاعل الداخليّ.
So I'd like to propose that we can combine those two worlds, that we can combine the world of the nanoscale programmable adaptive materials and the built environment. And I don't mean automated machines. I don't just mean smart machines that replace humans. But I mean programmable materials that build themselves. And that's called self-assembly, which is a process by which disordered parts build an ordered structure through only local interaction.
ما الذي نحتاجه إن أردنا القيام بهذا مع البشر؟ نحتاج بعض المكوّنات البسيطة. أولّها هي المواد و الهندسة الرياضية، وهذه تحتاج أن تقرن بشكل وثيق مع مصدر للطاقة. يمكنك أن تستعمل طاقة سلبيّة -- الحرارة والارتجاف والنيومتك والجاذبيّة والمغناطيسيّة. ثمّ تحتاج إلى تفاعلات مصمّمة بذكاء. وتلك التفاعلات تسمح باصلاح الأخطاء، وهي تسمح للأشكال بأن تتحوّل من حالة إلى حالة أخرى.
So what do we need if we want to do this at the human scale? We need a few simple ingredients. The first ingredient is materials and geometry, and that needs to be tightly coupled with the energy source. And you can use passive energy -- so heat, shaking, pneumatics, gravity, magnetics. And then you need smartly designed interactions. And those interactions allow for error correction, and they allow the shapes to go from one state to another state.
الآن سأريكم بعض المشاريع التي قمت ببنائها، أنطمة ذو بعد واحد و بعدين و ثلاثة أبعاد وحتّى أنظمة ذو أربعة أبعاد. في الأنظمة ذات البعد الواحد -- هذا المشروع يسمّى البروتينات الذاتيّة الطيّ. والفكرة هي أن تأخذ هيكلا ثلاثيّ الأبعاد لبروتين -- في هذه الحالة هو بروتين الكرامبين -- تنزع العمود الظهريّ -- إذا ما من تشابك ولا تفاعلات بيئيّة -- ثمّ تقوم بتقسيم ذلك إلى سلاسل من المكوّنات. ثمّ نغرس مطّاطا. وعندما أرمي هذا في الهواء ثمّ ألتقطه، يكون له الهيكلة الثلاثية الأبعاد الكاملة للبروتين، بكلّ تعقيداتها. وهذا يعطينا نموذجا ملموسا للبروتين الثلاثيّ الأبعاد وكيفيّة انطوائه وكلّ التعقيدات الهندسيّة الرياضيّة. وبالتّالي نستطيع دراسته كأيّ نموذج فيزيائيّ بسيط. ونحن أيضا نترجم ذلك إلى أنظمة ثنائيّة الأبعاد -- وأيضا الأوراق المسطّحة القادرة على الطيّ الذاتيّ إلى هياكل ثلاثيّة الأبعاد.
So now I'm going to show you a number of projects that we've built, from one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional and even four-dimensional systems. So in one-dimensional systems -- this is a project called the self-folding proteins. And the idea is that you take the three-dimensional structure of a protein -- in this case it's the crambin protein -- you take the backbone -- so no cross-linking, no environmental interactions -- and you break that down into a series of components. And then we embed elastic. And when I throw this up into the air and catch it, it has the full three-dimensional structure of the protein, all of the intricacies. And this gives us a tangible model of the three-dimensional protein and how it folds and all of the intricacies of the geometry. So we can study this as a physical, intuitive model. And we're also translating that into two-dimensional systems -- so flat sheets that can self-fold into three-dimensional structures.
بالنّسبة لثلاثيّات الأبعاد، قمنا بمشروع السنة الفارطة بـ TEDGlobal مع أوتودسك و آرثور أولسون حيث نظرنا إلى أجزاء ذاتيّة الحكم -- و الأجزاء الفرديّة الغير مرتبطة مسبقا التي يمكنها أن تتشكّل معا وحدها. وبنينا 500 من هذه الأكواب الزجاجيّة. كانت لها هياكل خلويّة مختلفة بالدّاخل وألوان متعدّدة كان يمكن مزجها و مطابقتها. وأعطيناها لجميع الحاضرين بـTED. إذن فتلك أصبحت نماذج بديهيّة لفهم كيفيّة عمل التجميع الذاتيّ الخلويّ في جسم الإنسان. هذا فيروس شلل الأطفال. تقوم بهزّه بقوّة ثمّ تحطيمه إلى أجزاء. ثمّ تقوم بهزّه بطريقة عشوائيّة. فيقوم بإصلاح الأخطاء و بناء الهيكل بنفسه. وهذا يبيّن أنّه وعبر طاقة عشوائيّة، نستطيع أن نبني أشكالا لاعشوائية.
In three dimensions, we did a project last year at TEDGlobal with Autodesk and Arthur Olson where we looked at autonomous parts -- so individual parts not pre-connected that can come together on their own. And we built 500 of these glass beakers. They had different molecular structures inside and different colors that could be mixed and matched. And we gave them away to all the TEDsters. And so these became intuitive models to understand how molecular self-assembly works at the human scale. This is the polio virus. You shake it hard and it breaks apart. And then you shake it randomly and it starts to error correct and built the structure on its own. And this is demonstrating that through random energy, we can build non-random shapes.
بل أنّنا حتّى بيّنا أنّه بامكاننا القيام بذلك على مستويات أكبر. السنة الفارطة بـTED بلونغ بيتش، قمنا ببني تركيب يبني التراكيب. الفكرة كانت، هل يمكننا صنع أشياء بحجم الأثاث وذاتيّة التّجميع؟ لذلك بنينا غرفة كبيرة دوّارة، و النّاس كانوا يقدمون ويدوّرون الغرفة أسرع أو أبطأ، بإضافة طاقة للنّظام والحصول على فهم حدسيّ لكيفيّة عمل التّجميع الذاتيّ وكيف يمكننا اسخدام ذلك في تقنية تصنيع أو بناء منتجات كبيرة الحجم.
We even demonstrated that we can do this at a much larger scale. Last year at TED Long Beach, we built an installation that builds installations. The idea was, could we self-assemble furniture-scale objects? So we built a large rotating chamber, and people would come up and spin the chamber faster or slower, adding energy to the system and getting an intuitive understanding of how self-assembly works and how we could use this as a macroscale construction or manufacturing technique for products.
تذكّروا، لقد قلت أربعة أبعاد. اليوم، لأوّل مرّة، سأكشف النّقاب عن مشروع جديد، بالتّعاون مع ستراتاسيس، ويسمّى بالطباعة الرباعيّة الأبعاد. الفكرة وراء الطّباعة الرباعيّة الأبعاد هي أن تأخذ طابعة ثلاثيّة الأبعاد متعدّدة المواد -- حتّى تتمكّن من استعمال عديد المواد -- ثمّ تقوم بإضافة قدرة جديدة، وهي التّحويل، والتي تعني أنّ الأجزاء يمكنها أن تتحوّل مباشرة من شكل إلى آخر بصفة ذاتيّة. ممّا يجعلها تشبه روبوتات دون أسلاك أو محرّكات. إذ تقوم بطباعة هذا الجزء كليّا، ويستطيع أن يتحوّل إلى أمر آخر.
So remember, I said 4D. So today for the first time, we're unveiling a new project, which is a collaboration with Stratasys, and it's called 4D printing. The idea behind 4D printing is that you take multi-material 3D printing -- so you can deposit multiple materials -- and you add a new capability, which is transformation, that right off the bed, the parts can transform from one shape to another shape directly on their own. And this is like robotics without wires or motors. So you completely print this part, and it can transform into something else.
كما نعمل أيضا مع أوتوديسك على برمجيّة يقومون بتطويرها اسمها "مشروع سايبورغ". وهذا يسمح لنا بمحاكاة سلوك التجميع الذاتي ومحاولة معرفة أيّة أجزاء تطوى و متى. لكن الأهمّ هو أنّنا نستطيع استعمال هذه البرمجيّة لتصميم الأنظمة الذاتيّة التجميع على مقياس النانو وأنظمة ذاتية التجميع على مقياس الإنسان. هذه أجزاء تْطبع بخاصيات متعدّدة المواد. هذا أوّل كشف. ظفرة واحدة تغمس في الماء ثمّ تعيد تجميع ذاتيّا كليّا لتكوّن الأحرف M I T. أنا متحيّز. هذا جزء آخر، ظفرة واحدة تغمس في وعاء أكبر يقوم بتجميع نفسه ذاتيّا إلى مكعّب، بنية ثلاثيّة الأبعاد. إذن من دون تدخل بشريّ. ونظنّ أنّ هذه هي المرّة الأولى التي كان فيها برنامج و تحوّل مجسّدين مباشرة في المواد نفسها. وقد تكون تلك التقنية في التصنيع هي التي تسمح لنا بانتاج بنية تحتيّة أكثر قدرة للتأقلم في المستقبل.
We also worked with Autodesk on a software they're developing called Project Cyborg. And this allows us to simulate this self-assembly behavior and try to optimize which parts are folding when. But most importantly, we can use this same software for the design of nanoscale self-assembly systems and human scale self-assembly systems. These are parts being printed with multi-material properties. Here's the first demonstration. A single strand dipped in water that completely self-folds on its own into the letters M I T. I'm biased. This is another part, single strand, dipped in a bigger tank that self-folds into a cube, a three-dimensional structure, on its own. So no human interaction. And we think this is the first time that a program and transformation has been embedded directly into the materials themselves. And it also might just be the manufacturing technique that allows us to produce more adaptive infrastructure in the future.
أعلم أنّكم على الأرجح تفكّرون، حسنا، هذا رائع، لكن كيف نستغلّ أيّا من هذا لصالح بيئة البناء؟ بدأنا بمختبر بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، يسمّى مختبر التجميع الذاتيّ. ونحن ملتزمون بمحاولة تطوير مواد قادرة للبرمجة لبيئة البناء. ونظنّ أنّ هناك بعض القطاعات الهامّة التي لها نوع من التطبيقات القريبة المدى. أحدها تكمن في البيئات المتطرّفة. هذه هي السيناريوهات حيث يصعب البناء، ولن تكون تقنيات البناء الحاليّة ناجعة، الأمر ضخم، خطير جدا، مكلف جدّا و به الكثير من الأجزاء. والفضاء أفضل مثال على ذلك. نحن نحاول تصميم سيناريوهات جديدة للفضاء يمكن إعادة تشكيلها كلّيا و بنى ذاتيّة التجميع يمكنها أن تكون في غاية العمليّة وظيفيّا من نظام إلى آخر.
So I know you're probably thinking, okay, that's cool, but how do we use any of this stuff for the built environment? So I've started a lab at MIT, and it's called the Self-Assembly Lab. And we're dedicated to trying to develop programmable materials for the built environment. And we think there's a few key sectors that have fairly near-term applications. One of those is in extreme environments. These are scenarios where it's difficult to build, our current construction techniques don't work, it's too large, it's too dangerous, it's expensive, too many parts. And space is a great example of that. We're trying to design new scenarios for space that have fully reconfigurable and self-assembly structures that can go from highly functional systems from one to another.
لنعد إلى البنى التحتيّة. في هذه الحالة، نحن نعمل مع شركة خارج بوسطن اسمها جيوسانتك. ونحن نعمل على تطوير نموذج جديد للأنابيب. تصوّروا إن كانت أنابيب المياه قادرة على التمدّد أو التقلّص لتغيير قابليّتها للاستيعاب أو معدّل السيلان، أو ربّما تتموّج لتقوم بنفسها بتحريك المياه. هذه ليست أنابيبا و صمّامات مكلفة. هذا أنبوب مبرمج تماما لوحده، وقادر على التأقلم بمفرده.
Let's go back to infrastructure. In infrastructure, we're working with a company out of Boston called Geosyntec. And we're developing a new paradigm for piping. Imagine if water pipes could expand or contract to change capacity or change flow rate, or maybe even undulate like peristaltics to move the water themselves. So this isn't expensive pumps or valves. This is a completely programmable and adaptive pipe on its own.
لذلك أريد أن أذكّركم اليوم بالحقائق المؤلمة للتجميع في عالمنا. هذه هي أشياء معقّدة مبنيّة بأجزاء معقّدة التي تجتمع معا بطرق معقّدة. لذلك أودّ أن أدعوكم كلّكم مهما تكن خلفيّتكم الصناعية لتنضمّوا إلينا وتعيدون تصوّر العالم، كيفيّة تجمّع الأشياء معا من المقياس النانويّ إلى البشريّ، لكي ننتقل من عالم هكذا إلى عالم أشبه بهذا.
So I want to remind you today of the harsh realities of assembly in our world. These are complex things built with complex parts that come together in complex ways. So I would like to invite you from whatever industry you're from to join us in reinventing and reimagining the world, how things come together from the nanoscale to the human scale, so that we can go from a world like this to a world that's more like this.
شكرا لكم.
Thank you.
(تصفيق)
(Applause)