Hier sehen Sie mich, wie ich einen Prototypen baue, sechs Stunden lang. Das ist Sklavenarbeit für mein eigenes Projekt. So sieht es bei der DIY- und Maker-Bewegung tatsächlich aus. Und es ist eine Analogie zu unseren heutigen Bau- und Produktionstechniken, die noch mit der Holzhammer-Methode arbeiten. Und deshalb begann ich zu untersuchen, wie man Materialien dazu bringen kann, sich selbst zusammenzubauen.
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.
Doch es gibt auch eine andere Welt. Heute findet im Mikro- und Nanobereich eine beispiellose Revolution statt. Es geht darum, physikalische und biologische Materialien so zu programmieren, dass sie ihre Form und ihre Eigenschaften ändern und sogar ohne Silizium-basierte Computerchips rechnen können. Es gibt sogar eine Software namens "cadnano", mit der man dreidimensionale Gebilde entwerfen kann, beispielsweise Nanoroboter oder Dosierungssysteme für Medikamente, und die DNA verwendet, um diese funktionellen Strukturen selbst zu formen.
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.
Wenn wir jedoch den menschlichen Maßstab betrachten, gibt es große Probleme, die nicht angegangen werden, von diesen Technologien im Nanobereich. Wenn wir Baugewerbe und Produktion betrachten, sind da große Ineffizienzen, Energieverbrauch und übermäßiger Arbeitseinsatz. Betrachten wir ein Beispiel aus der Infrastruktur. Nehmen wir Rohrleitungen. Wasserrohre haben eine festgesetzte Kapazität mit festgesetzten Durchflussraten – außer man verwendet teure Pumpen und Ventile. Wir vergraben sie in der Erde. Wenn sich jetzt etwas ändert – wenn sich die Umgebung ändert, der Boden sich bewegt oder der Bedarf sich ändert – müssen wir von vorne anfangen und sie ausgraben und ersetzen.
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.
Deshalb schlage ich vor, dass wir beide Welten kombinieren, die Welt der programmierbaren und anpassungsfähigen Nano-Materialien und die gebaute Umwelt. Damit meine ich keine automatischen Maschinen, keine intelligenten Maschinen, die Menschen ersetzen. Ich meine programmierbare Materialien, die sich selbst zusammensetzen. Und das nennt sich "Selbst-Bau", bei diesem Prozess setzen sich ungeordnete Elemente zu einer geordneten Struktur allein durch lokale Interaktion zusammen.
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.
Also was benötigen wir, wenn wir das im menschlichem Maßstab machen wollen? Wir brauchen ein paar einfache Zutaten. Die erste Zutat sind Materialien und Geometrie und diese müssen eng mit der Energiequelle gekoppelt werden. Man kann passive Energie verwenden – z. B. Wärme, Schütteln, Pneumatik, Gravitation, Magnetismus. Und dann benötigt man intelligent entwickelte Wechselwirkungen. Und dieses Zusammenspiel erlaubt Fehlerkorrekturen und ermöglicht, dass die Formen von einem Zustand in den nächsten übergehen.
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.
Jetzt zeige ich Ihnen einige der Projekte, die wir entwickelt haben, ein-, zwei-, dreidimensionale und sogar vierdimensionale Systeme. Eindimensionale Systeme – dieses Projekt nennt sich "selbstfaltende Proteine". Man nimmt die dreidimensionale Struktur eines Proteins, in diesem Fall ein Crambin-Protein – man nimmt das Rückgrat – also keine Vernetzung und keine Wechselwirkungen mit der Umwelt – und bricht es herunter auf eine Reihe von Einzelteilen. Und dann schließen wir Elastizität mit ein. Und wenn ich es in die Luft werfe und wieder auffange, hat es die volle dreidimensionale Struktur des Proteins, alle Feinheiten. Und so erhalten wir ein greifbares Modell des dreidimensionalen Proteins, wie es gefaltet ist und aller Feinheiten der Geometrie. So können wir es als physisches, intuitives Modell studieren. Und wir können es auch in zweidimensionale Systeme überführen – flache Platten können sich selbst zu dreidimensionalen Strukturen falten.
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.
Bezüglich 3D haben wir letztes Jahr ein Projekt bei TEDGlobal gemacht, mit Autodesk und Arthur Olson bei dem wir autonome Teile betrachteten – also individuelle Teile, die nicht vormontiert sind und sich selbst zusammensetzen. Und wir hatten 500 dieser Glaskolben vorbereitet, mit verschiedenen molekularen Strukturen und verschiedenen Farben, die kombiniert werden konnten. Und wir verteilten sie an alle TEDster. So erhielten wir intuitive Modelle, um zu verstehen, wie molekularer Selbst-Bau im menschlichen Maßstab funktioniert. Das ist ein Poliovirus. Schüttelt man ihn stark, bricht er auseinander. Dann schüttelt man ihn willkürlich und er beginnt die Fehler zu korrigieren und die Struktur von selbst herzustellen. Das zeigt, dass mit zufällig angewandter Energie nicht-zufällige Strukturen geschaffen werden können.
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.
Wir haben auch gezeigt, dass es in viel größerem Maßstab machbar ist. Letztes Jahr auf TED in Long Beach haben wir eine Installation gebaut, die wiederum selbst Installationen baut. Wir wollten sich selbst formende Objekte in der Größe von Möbeln. Also haben wir eine große rotierende Kammer gebaut und die Leute konnten die Kammer schneller oder langsamer drehen, dem System so Energie zuführen und damit ein intuitives Verständnis gewinnen, wie Selbst-Formung funktioniert und wie wir das im Makro-Maßstab zur Herstellung von Produkten verwenden können.
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.
Ich habe vorhin von 4D gesprochen. Heute stellen wir zum ersten Mal ein neues Projekt vor, eine Zusammenarbeit mit Stratasys, die "4D-Printing" genannt wird. Die Idee hinter 4D-Printing ist, dass man von 3D-Printing mit verschiedenen Materialien ausgeht – man kann also mehrere Materialien verwenden – und eine neue Fähigkeit dazunimmt, die Transformation, sodass sich die Teile direkt und selbständig von einer Form zur anderen transformieren. Das ist wie Robotik ohne Kabel und Motoren. Man kann dieses Teil komplett drucken und es transformiert sich in etwas anderes.
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.
Wir haben auch mit Autodesk an einer Software namens "Project Cyborg" gearbeitet, mit der wir Selbst-Montage simulieren können und versuchen zu optimieren, welche Teile sich wann falten. Aber viel wichtiger, wir können diese Software nutzen, um selbstformende Systeme sowohl im Nano-Maßstab zu entwickeln, als auch im menschlichen Maßstab. Diese Teile sind mit verschiedenen Materialien gedruckt. Hier ist eine erste Demonstration. Ein einzelner Strang in Wasser getaucht, der sich komplett von selbst faltet zu den Buchstaben M I T. Ich bin voreingenommen. Hier ist ein weiteres Teil, ein Einzelstrang in einen größeren Tank getaucht, der sich zu einem Würfel faltet. Ohne menschliches Zutun. Und wir glauben, dies ist das erste Mal, dass ein Programm und eine Transformation direkt in die Materialien selbst eingearbeitet wurden. Und dies könnte auch die Herstellungstechnik sein, die uns zukünftig erlaubt, eine anpassungsfähigere Infrastruktur zu entwickeln.
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.
Jetzt denken Sie wahrscheinlich, ok, das ist cool, aber wie können wir das in der Praxis nutzen? Daher habe ich ein Labor am MIT gestartet. Es heißt "Self-Assembly Lab". Und wir versuchen hier, programmierbare Materialien für Bauumgebungen zu entwickeln. Wir glauben, dass es wenige Schlüsselbereiche gibt, für die es kurzfristig Anwendungen geben wird. Eine davon ist in extremen Umgebungsbedingungen. Hier ist es schwierig, etwas zu bauen, unsere gegenwärtigen Bautechniken funktionieren hier nicht, es ist zu groß, zu gefährlich, zu teuer oder es gibt zu viele Einzelteile. Der Weltraum ist ein sehr gutes Beispiel hierfür. Wir versuchen, neue Szenarien für den Weltraum zu entwickeln, welche komplett neu konfigurierbare und selbstformende Strukturen haben und welche sich von einem hochfunktionalen System zum nächsten verwandeln.
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.
Gehen wir zurück zur Infrastruktur. Hier arbeiten wir mit einer Firma namens Geosyntec aus Boston zusammen. Und wir entwickeln ein neues System für Rohrleitungen. Angenommen, Wasserleitungen könnten sich ausdehnen oder zusammenziehen, um ihre Kapazität oder Durchflussrate zu ändern. oder sogar wie eine Schlauchpumpe wogen, um das Wasser zu bewegen. Also nicht mit teuren Pumpen oder Ventilen. Dies ist ein komplett programmierbares und anpassungsfähiges Rohr.
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.
Daher möchte ich Sie heute an die harten Realitäten der Montage in unserer Welt erinnern. Es sind komplexe Gebilde, die aus komplexen Teilen gebaut und auf komplexe Art zusammengesetzt werden. Daher möchte ich Sie einladen – aus welcher Industrie Sie auch kommen – bei uns mitzumachen, wie wir die Welt neu erfinden, wie wir Dinge zusammensetzen vom Nanobereich bis zum menschlichen Maßstab. sodass wir uns von so einer Welt zu einer Welt entwickeln, die mehr wie diese ist.
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.
Vielen Dank.
Thank you.
(Applaus)
(Applause)