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.
Hier bouw ik een prototype 6 uur achter elkaar. Slavenarbeid voor mijn eigen project. Zo zien doe-het-zelvers er echt uit. Dit is een analogie voor de bouw- en de maakindustrie met hun brute-kracht-montagetechnieken. Dit is precies waarom ik wilde leren hoe je fysieke materialen kunt programmeren zodat ze zichzelf bouwen.
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.
Maar dat is een andere wereld. Op het gebied van micro- en nanotechnologie is een revolutie zonder voorgaande aan de gang. We kunnen fysieke en biologische materialen programmeren om van vorm of eigenschap te veranderen en zelfs te berekenen buiten silicium om. Er is zelfs software, cadnano, waarmee je 3D-vormen kunt ontwerpen zoals nano-robots of een systeem om medicijnen toe te dienen en dat DNA gebruikt om deze structuren zelf in elkaar te zetten.
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.
Kijken we op een menselijke schaal, dan zijn er veel problemen waarvoor deze nanotechnologie niet helpt. Als we naar de bouw- en maakindustrie kijken, dan is het erg inefficiënt, gebruikt het veel energie en buitensporig veel mensenwerk. Neem een voorbeeld uit de infrastructuur. Zoals leidingwerk. Waterleidingen hebben een vaste capaciteit, met een vaste stroomsnelheid die we, op de dure pompen en afsluiters na, in de grond begraven. Als er iets verandert -- de omgeving, als de grond beweegt, of er aanpassingen nodig zijn dan moeten we opnieuw beginnen, het leidingwerk eruit halen en vervangen,
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.
Ik wil voorstellen om deze werelden te combineren de wereld van programmeerbare adaptieve materialen op nanoniveau en de gebouwde wereld. Ik heb het niet over geautomatiseerde machines. Ik bedoel niet slimme machines die mensen vervangen. Ik heb het over programmeerbare materialen die zichzelf bouwen. Dat heet zelfassemblage, waarin delen zelf een geordende structuur bouwen alleen door onderlinge interactie.
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.
Wat is er nodig om dit op menselijke schaal te doen? Een paar eenvoudige ingrediënten. Het eerste is materie en meetkunde, en dat moet sterk aan een energiebron gelinkt zijn. Je kunt passieve energie gebruiken -- warmte, schudden, lucht, zwaartekracht, magnetisme. Dan heb je slim ontworpen interacties nodig, die ook een foutcorrectie hebben en die de vormen laten overgaan van een vorm naar een andere.
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.
Ik laat nu een paar dingen zien die we gebouwd hebben, van 1-dimensionale, 2D-, 3D- en zelfs 4-dimensionale systemen. In een 1-dimensionaal systeem -- dit project heet de zelf-vouwende eiwitten. Het idee is dat je de 3D-structuur van een eiwit neemt -- in dit geval het eiwit crambine -- je neemt de ruggengraat, geen dwarsverbindingen, geen omgevingsinvloeden -- en je haalt die uit elkaar zodat je een reeks componenten hebt. En dan voegen we elastiek toe. Als ik dit in de lucht gooi en ik vang het, dan heeft het de volledige 3D-structuur van het eiwit in alle complexiteit. Dit geeft ons een tastbaar model van een 3D-eiwit en hoe het buigt met alle finesses van de meetkunde. We kunnen dit als een fysiek, intuïtief model bestuderen. We vertalen het ook in 2D-systemen -- zodat platte vellen zichzelf tot 3D-structuren kunnen vouwen.
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.
Vorig jaren deden we een 3D-project voor TEDGlobal samen met Autodesk en Arthur Olson, waarbij we keken naar autonome delen -- afzonderlijke losse delen die zelf tot elkaar komen. Zo hebben we 500 van deze glazen bekers gemaakt. Met verschillende moleculaire stucturen erin en verschillende kleuren die gemengd en gematcht konden worden. We hebben ze weggegeven aan de TEDsters. De bekers werden intuïtieve modellen om te begrijpen hoe moleculaire zelfassemblage werkt op menselijke schaal. Dit is het poliovirus. Als je het hard schudt, dan valt het uit elkaar. Als je het willekeurig schudt, dan begint de correctie en bouwt de structuur zichzelf op. Dit laat zien dat dat we door willekeurige energie niet-willekeurige vormen kunnen bouwen.
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.
We hebben laten zien dat we dit op veel grotere schaal kunnen doen. Vorig jaar bij TED Long Beach hadden we een installatie die installaties bouwt. De vraag was of we zelfbouwende objecten van meubelformaat konden maken. We bouwden een grote ronddraaiende kamer, waar mensen kwamen die de kamer sneller of langzamer lieten draaien door energie aan het systeem toe te voegen en zo intuïtief te begrijpen hoe zelfassemblage werkt en hoe we dit kunnen gebruiken als een techniek om producten op macroschaal te bouwen.
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.
Weet je nog, ik zei 4D. Vandaag onthullen we voor het eerst een nieuw project, in samenwerking met Stratasys, dat 4D-printen heet. Het idee achter 4D-printen is dat je 3D-printen voor multi-materialen neemt, je kunt verschillende materialen gebruiken, en je voegt er een nieuwe mogelijkheid aan toe, namelijk transformatie zodat de delen meteen zelf van een vorm naar een andere kunnen transformeren. Het is zoals robotica, maar zonder snoeren of motors. Je print dit onderdeel en het kan transformeren in iets anders.
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.
We hebben ook met Autodesk aan software gewerkt die zij ontwikkelen, Project Cyborg. Hiermee kunnen we zelfbouwend gedrag simuleren en proberen te optimaliseren wanneer welke delen buigen. Belangrijker nog is dat we dezelfde software kunnen gebruiken om zelfbouwende systemen op nanoschaal en op menselijke schaal te ontwerpen. Deze onderdelen worden geprint met multi-materiaaleigenschappen. Hier is de eerste demonstratie. Een koord dat natgemaakt is, vouwt zich helemaal zelf tot de letters MIT. Ik ben partijdig. Dit is een ander deel, een enkel koord, in een grotere tank dat zichzelf vouwt tot een kubus, een 3D-structuur, helemaal zelf. Zonder menselijke interactie. We denken dat dit de eerste keer is dat een programma en een transformatie direct in het materiaal ingebouwd zijn. Het kan precies de techniek zijn waarmee we in de toekomst een meer adaptieve infrastructuur kunnen bouwen.
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.
Jullie denken nu waarschijnlijk, oké, dat is leuk, maar hoe gebruiken we dit in onze gebouwde omgeving? Dus ben ik in MIT een laboratorium begonnen dat het zelfassemblagelab heet. We willen programmeerbare materialen ontwikkelen voor de gebouwde omgeving. We denken dat er een paar sleutelsectoren zijn met toepassingen op korte termijn. Een ervan is een extreme omgeving. Hier is het moeilijk om te bouwen, onze huidige bouwtechnieken werken hier niet, het is te groot, te gevaarlijk, duur, te veel onderdelen. De ruimte is hier een goed voorbeeld van. We proberen nieuwe scenario's te ontwerpen met structuren die compleet zelf-bouwend zijn en opnieuw configureerbaar die van het ene zeer functionele systeem naar het andere kunnen overgaan.
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.
Laten we teruggaan naar de infrastructuur. Hier werken we samen met Geosyntec, een bedrijf uit Boston We ontwerpen een nieuw paradigma voor leidingwerk. Stel je voor dat een waterleiding kan uitzetten of krimpen om de capaciteit te veranderen, of de stroomsnelheid, of dat het kan golven, zoals bij peristaltiek, om het water zelf voort te stuwen. Ik bedoel geen dure pompen of afsluiters. Het is een volledig progammeerbare en adaptieve leiding.
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.
Ik wil jullie vandaag herinneren aan de harde realiteit van het bouwen in deze wereld. Het gaat om complexe dingen met complexe onderdelen die op een complexe manier tot elkaar komen. Ik wil jullie uitnodigen vanuit iedere industrie om je aan te sluiten en de wereld opnieuw voor te stellen en uit te vinden hoe zaken op nanoschaal en op menselijke schaal in elkaar zitten zodat we van dit soort wereld naar een wereld zoals deze gaan.
Thank you.
Dankjewel.
(Applause)
(Applaus)