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.
כאן אני בונה אבטיפוס במשך 6 שעות רצופות. זו העבודה השחורה של המיזם האישי שלי. כך באמת נראית תנועת העשה-זאת-בעצמך והיוצרים. וזה מקביל לעולם הבניה והייצור של ימינו בטכניקות הרכבה של כוח גס. וזו בדיוק הסיבה מדוע התחלתי ללמוד איך לתכנת חומרים פיזיים כך שיבנו את עצמם.
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.
אבל קיים עולם נוסף. היום, ברמות המיקרו והנאנו, מתרחשת מהפכה חסרת-תקדים. והיא היכולת לתכנת חומרים פיזיים וביולוגיים לשנות צורה, לשנות תכונות, ואפילו לבצע חישובים בחומרים שאינם מבוססי-סיליקון. יש אפילו תוכנה בשם "קאד-נאנו" שמאפשרת לנו לעצב צורות תלת-מימדיות כמו רובוטי נאנו או מערכות להחדרת תרופות ולהשתמש בדנ"א כדי להרכיב עצמאית מבנים פונקציונאליים אלה.
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.
אבל אם אנו מסתכלים על קנה המידה האנושי, על הבעיות העצומות האלה שלא זוכות לטיפול מצד אותן טכנולוגיות נאנו, אם אנו מסתכלים על בניה וייצור, יש חוסר יעילות גדולה, צריכת אנרגיה וטכניקות עבודה מיותרות. בנוגע לתשתית, הבה ניקח רק דוגמה אחת. צנרת, למשל. בצנרת מים יש לנו צינורות מים בעלי ספיקה קבועה וקצב זרימה קבוע, פרט למשאבות ושסתומים יקרים. אנו קוברים אותם באדמה. אם משהו משתנה-- אם הסביבה משתנה, האדמה רועדת, או שנדרשים שינויים-- עלינו להתחיל מהתחלה, ולהוציא ולהחליף אותם.
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.
ההצעה שלי היא לשלב בין שני העולומת האלה. לשלב בין עולם חומרי הנאנו ברי התכנות והסתגלניים לבין הסביבה הבנויה. ואני לא מתכוון למיכון אוטומטי. ולא רק למכונות חכמות שמחליפות בני-אדם. אלא לחומרים ניתנים לתכנות שבונים את עצמם. וזה קרוי "הרכבה עצמית", תהליך שבו חלקים לא מסודרים בונים מבנה מסודר באמצעות אינטראקציה מקומית בלבד.
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.
אז מה נחוץ לנו אם אנו רוצים לעשות זאת בקנה-מידה אנושי? אנו זקוקים לכמה מרכיבים פשוטים. המרכיב הראשון הוא חומרים וגיאומטריה. וזה צריך לבוא בצמוד למקור אנרגיה. אפשר להשתמש באנרגיה סבילה-- חום, טלטול, לחץ אוויר, כבידה, מגנטיות. ואז נחוצות אינטראקציות מתוכננות בחוכמה. והאינטראקציות האלה מאפשרות תיקון שגיאות, וכן מאפשרות לצורות לעבור ממצב למצב.
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.
כעת אראה לכם מספר מיזמים שבנינו, של מערכות חד-מימדיות, דו-מימדיות, תלת-מימדיות ואפילו מערכות ארבע-מימדיות. אז במערכות חד-מימדיות-- זהו מיזם הקרוי "חלבונים מתקפלים מעצמם". הרעעיון הוא לקחת את המבנה התלת-מימדי של חלבון-- במקרה הזה, זהו חלבון הקרבמין-- לוקחים את השדרה-- כלומר ללא קישור צולב, ללא אינטראקציות סביבתיות-- ומפרקים אותה לסדרת רכיבים. ומטמיעים בה אלסטיות. אז כשאני משליך אותו באוויר ותופס, יש לו את כל המבנה התלת-מימדי של החלבון, על כל מורכבויותיו. וזה נותן לנו מודל מוחשי של חלבון תלת-מימדי וכיצד הוא מתקפל עם כל המורכבויות של הנדסת המרחב. אז אנו יכולים לחקור זאת כמודל פיזי, אינטואיטיבי. ואנו גם יכולים לתרגם זאת למערכות דו-מימדיות-- גליונות שטוחים שיכולים להתקפל מעצמם למבנים תלת-מימדיים.
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.
בתחום התלת-מימד, עשינו בשנה שעברה מיזם ב-TEDGlobal יחד עם "אוטודסק" וארתור אולסון שבו התייחסנו לחלקים העצמאיים-- חלקים נפרדים שלא חוברו מראש שיכולים להתחבר ביניהם מעצמם. ובנינו 500 ממבחנות הזכוכית האלה. היו להם בפנים מבנים מולקולריים שונים וצבעים שונים שאפשר היה לערבב ולהתאים. ומסרנו אותם לכל חברי TED, והם הפכו למודלים אינטואיטיביים כדי להבין איך הרכבה עצמית מולקולרית פעולת בקנה-מידה אנושי. זהו נגיף הפוליו. מנערים אותו חזק והוא מתפרק. ואז מנערים אותו באופן אקראי והוא מתחיל לבצע תיקון שגיאות ולבנות בעצמו את המבנה. וזה מוכיח שבאמצעות אנרגיה אקראית, ניתן לבנות צורות לא-אקראיות.
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.
הראינו גם שאנו יכולים לעשות זאת בקנה-מידה גדול בהרבה. בשנה שעברה, בכנס TED בלונג ביץ', בנינו מתקן שבונה מתקנים. הרעיון היה, האם נוכל לגרום לעצמים בגודל רהיטים להתרכב מעצמם? אז בנינו תא מסתובב גדול, ואנשים ניגשו וסובבו את התא מהר או לאט יותר, בעודם מוסיפים אנרגיה למערכת ומבינים אינטואיטיבית איך הרכבה עצמית עובדת ואיך אנחנו יכולים להשתמש בזה ברמת המאקרו לייצור ובניית מוצרים
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.
זוכרים?, אמרתי 4-מימדים אז היום בפעם הראשונה אנחנו חושפים פרויקט חדש שהוא שיתוף פעולה עם סטראטסיס והוא נקרא הדפסה 4-מימדית. הרעיון מאחורי הדפסה 4-מימדית הוא שאתה לוקח הדפסה תלת מימדית עם כמה חומרים כלומר אתם יכולים להשתמש במגוון חומרים ואתם מוסיפים תכונה נוספת שהיא שינוי-צורה, כלומר ישר מההתחלה, החלקים יכולים לשנות מצורה אחת לשניה בעצמם. וזה כמו רובוטיקה בלי חוטים ומנועים. אז אתם יכולים להדפיס את החלק, והוא יכול להפוך למשהו אחר.
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.
אנחנו גם עובדים עם אוטו-דסק על תוכנה שהם מפתחים שנקראת "פרויקט סייבורג" וזה מאפשר לנו לדמות התנהגות הרכבה עצמית ולנסות לייעל אילו חלקים מתקפלים מתי. יותר חשוב מכך, אנחנו יכולים להשתמש באותה תוכנה על מנת לתכנן מערכות הרכבה-עצמית ברמת הנאנו ומערכות הרכבה-עצמית בסדר גודל אנושי. אלה חלקים שמודפסים עם תכונות חומרים רבות. הנה ההדגמה הראשונה. חוט בודד נטבל במים מתקפל לגמרי לבדו לאותיות M I T אני משוחד. זהו חלק נוסף, חוט בודד, נטבל במיכל גדול יותר שמתקפל בעצמו לקוביה, מבנה תלת מימדי, לבדו. בלי התערבות אדם. ואנחנו חושבים שזוהי הפעם הראשונה שתוכנה ושינוי צורה הוטמעו ישירות לתוך החומרים עצמם. וזה יכול להיות בדיוק שיטת הייצור שתאפשר לנו לייצר תשתית מסתגלת יותר בעתיד
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.
אז אני יודע שאתם בוודאי חושבים, אוקיי, זה מגניב, אבל איך אנחנו משתמשים במשהו מזה לסביבה הבנויה? אז הקמתי מעבדה בMIT, והיא נקראית מעבדת להרכבה-עצמית. ואנחנו מקדישים את עצמנו בניסיון לפתח חומרים ניתנים לתכנות לסביבה הבנויה. ואנחנו חושבים שיש כמה תחומי מפתח שיש להם יישומים יחסית לטווח הקרוב. אחד מאלה הוא בסביבות קיצוניות. אלה תרחישים בהם קשה לבנות, טכניקות הבנייה הנוכחיות שלנו לא עובדות, זה גדול מדי, מסוכן מדי, יקר מדי ויותר מדי חלקים. והחלל הוא דוגמא מצויינת לכך. אנחנו מנסים לבנות תרחישים חדשים לחלל שיש להם מבנים שמורכבים-עצמית ובעלי יכולת להשתנות שיכולים לעבור בין מבנים בעלי פונקציונליות גבוהה.
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.
בואו נחזור לתשתית. בתשתיות, אנחנו עובדים עם חברה בבוסטון שנקראית גיאוסינטק. ואנחנו מפתחים מודל חדש לצנרת. דמיינו אם הצינורות היו יכולים להתרחב או להתכווץ על מנת לשנות את הקיבול או הספיקה או אולי אפילו לבצע תנועה גלית על מנת להזיז את המים בעצמם. אז זה לא משאבות ושסתומים יקרים. זה צינור מתוכנת ומסתגל לגמרי לבדו.
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.
אז אני רוצה להזכיר לכם היום על המציאות הקשה של הרכבה של ימינו אלה חלקים מסובכים שנבנים ע"י חלקים מורכבים ומתחברים בצורה מסובכת אחד לשני. אז אני רוצה להזמין אתכם, מאיזה תעשייה שאתם באים, להצטרף אלינו להמציא מחדש ולדמיין מחדש את העולם, איך דברים מתחברים מרמת הנאנו לקנה מידה אנושי כך שנוכל להתקדם מעולם שנראה כך לעולם שנראה יותר כך.
Thank you.
תודה רבה.
(Applause)
(מחיאות כפיים)