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.
На видео — я. Изготавливаю прототип шесть часов подряд. Эта тяжёлая работа — для моего собственного проекта. Вот так выглядят самодельные проекты. Это подобно современному миру строительства и производства с применением технологии сборки грубой силой. Поэтому-то я и начал изучать, каким образом можно запрограммировать материалы на самоорганизацию в пространстве.
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.
Но есть и другая сфера. На микро- и наноуровнях сейчас происходит невиданное до сих пор развитие технологий. Это — возможность программировать неживую и живую материю на изменение формы и свойств и даже на выполнение вычислений без использования кремниевых устройств. Существует пакет программного обеспечения cadnano, который позволяет разрабатывать трёхмерные формы вроде нанороботов или устройств, доставляющих лекарства в ткани и использовать ДНК для их самопроизвольной сборки.
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.
Однако в более привычном для нас масштабе существуют другие проблемы, не связанные с нанотехнологиями. Если мы обратимся к проектированию и производству, то увидим постоянные препятствия, излишнее потребление энергии и неэффективные методы работы. Я приведу один пример. Например, трубопровод. По существующей технологии производятся трубы ограниченной пропускной способности, требующие дополнительного укрепления и искусственной подкачки воды. Мы зарываем их под землю. Но если что-либо изменяется: условия, тектоника, наши потребности, то — начинай всё с начала, выкапывай и заменяй.
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.
Так вот, мне бы хотелось рассказать, как сделать возможным использование нано-принципов самоорганизации и адаптации для нашего с вами мира. И я имею в виду не электрические приборы. И не просто роботов, которые призваны заменить людей. Я имею в виду самоорганизующиеся материалы. Вот что это такое: неупорядоченные части самопроизвольно образуют структуру предмета или вещества, взаимодействуя между собой.
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.
Как же перенести этот механизм в большой масштаб? Требуется несколько простых ингредиентов. Первый — это материал и его конфигурация, которые должны быть связаны с источником энергии. Можно использовать пассивную энергию, такую как жар, тряска, давление воздуха, притяжение, магнетизм. Затем, нужно хорошенько продумать взаимодействия. Они должны также допускать исправление возникающих ошибок, которые возникают в процессе превращения одного объекта в другой.
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.
Вот чего мы добились, работая над одно-, двух-, трёхмерными и даже четырёхмерными системами. Итак, одномерные системы. Этот проект называется самоструктурирующаяся молекула белка. Можно получить трёхмерную структуру такой молекулы, в данном случае это белок растения рода крестоцветных, работая только с атомными связями, исключая любое воздействие среды. Мы разбиваем его на некоторое количество частей, а затем вшиваем в него упругий тяж. Я бросаю его в воздух, а ловлю уже другой объект, трёхмерную модель структуры белка во всей своей сложности. Мы получили действующий образец этой молекулы и того, как она складывается в процессе синтеза, с соблюдением всех подробностей процесса. Теперь у нас перед глазами есть ощутимая, наглядная модель. То же и с двухмерными системами, когда плоские предметы организуются в объёмные фигуры самопроизвольно.
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.
Мы демонстрировали возможности трёхмерных структур на TEDGlobal с помощью Autodesk и Артура Олсона, когда отдельные компоненты системы могут объединяться в правильном порядке. Мы сделали 500 таких мензурок с разными молекулярными структурами внутри и разноцветными частями, подходящими друг к другу. И раздали их всем участникам конференции. Чтобы наглядно показать, как работает самоорганизация в человеческом масштабе. Это — вирус полиомиелита. Мы с силой трясём его, чтобы разрушить. А затем снова трясём, чтобы он образовал упорядоченную систему. Это показывает, как можно направить случайным образом приложенную энергию на построение геометрических структур.
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.
Мы также показали, что этот же принцип применим в гораздо больших масштабах. В прошлом году на TED в Лонг-бич мы установили инсталляцию, производящую другие инсталляции. Мы пытались понять, возможна ли самоорганизация предметов размером, скажем, со стул? Так что мы построили огромную вращающуюся камеру, в которую могли зайти люди и вращать её с разной скоростью, сообщая ей энергию и приобретая понимание того, как работает самоорганизация, а также как мы могли бы это использовать в проектировании и производстве.
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.
Помните, я упоминал 4D. Сегодня я впервые расскажу о новом проекте, создаваемом в сотрудничестве со Stratasys, мы назвали его 4D копирование. Смысл в том, что можно взять за основу 3D изделие, возможно, состоящее из нескольких материалов, и добавить новое свойство, трансформацию, таким образом, что части приобретают способность видоизменяться полностью самостоятельно. Это похоже на роботостроение, только без электричества и приводов. Итак, мы распечатываем одну часть, и она трансформируется в нечто иное.
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.
Кстати, проект Киборг, над которым работает Autodesk позволяет нам симулировать этот механизм самоорганизации так что мы можем совершенствовать процесс. Важнее всего то, что мы можем моделировать его, чтобы разрабатывать системы на нано- и макроуровнях. Вот эти распечатанные на 3D принтере части состоят из нескольких материалов. Демонстрируется в первый раз. Одна нить, погруженная в воду, складывается сама по себе в надпись MIT. Отсылки, знаете ли. Вот другая часть, плоская цепь, погруженная в ёмкость большего размера, она самопроизвольно превращается в трёхмерную кубическую структуру. Никакого вмешательства человека. Впервые в истории мы сумели заложить программу к трансформации в само вещество, из которого состоит предмет. Если говорить о производственных технологиях, то это позволит нам изготавливать адаптивные элементы инфраструктуры в будущем.
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.
Вы, наверное, думаете: ладно, это прикольно, конечно, но какая от этого польза? Так что я основал лабораторию в Массачусетском Технологическом университете и назвал её лаборатория самоорганизации. Мы занимаемся совершенствованием программируемых материалов для строительства. Мы думаем, что применение можно найти в нескольких ключевых сферах. Одна из них — сложные природные условия. В сложных условиях или местах, где современные технологии строительства не работают, слишком сложно, слишком дорого, слишком опасно и так далее. Отличный пример — космос. Мы пытаемся проработать оригинальные подходы к работе там, используя трансформацию и самоорганизующиеся структуры, чтобы необходимые системы могли превращаться одна в другую.
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.
Но давайте вернёмся к инфраструктуре. Тут мы сотрудничаем с бостонской компанией Geosyntec. Мы вырабатываем новую концепцию трубопровода. Представьте себе водяные трубы, которые могут расширяться или сжиматься, чтобы изменять свою пропускную способность или даже имитировать перистальтику, чтобы проталкивать воду через себя. Так что нам не нужны будут дорогие насосы и уплотнения. Вот — полностью программируемая и адаптивная водопроводная труба.
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.
Я хочу напомнить вам о сложностях организации в современном мире. Как правило это — сложные вещи, состоящие из сложных компонентов, усложнённым образом объединяющихся воедино. Так что мне хотелось бы пригласить вас из мира современных технологий в совершенно переосмысленный новый мир, где предметы могут изменять свою шкалу. Идите с нами от вот этого к вот этому.
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)