TED日本語 - スカイラー・ティビッツ: 世界を変える4Dプリンティング

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TED日本語 - スカイラー・ティビッツ: 世界を変える4Dプリンティング

TED Talks

世界を変える4Dプリンティング
The emergence of "4D printing"
スカイラー・ティビッツ
Skylar Tibbits

内容

3Dプリンティングは1970年代後半から高度化してきました。TEDフェローであるスカイラー・ティビッツは、4つ目の次元として時間軸を加えた4Dプリンティングという次世代技術を開発しています。この新技術により、時間とともに自分で形を変えたり、自己組織化するような物体をプリントできるようになります。目の前で折り畳まれる立方体や、需要を理解し伸縮する水道管を想像してみて下さい。

Script

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Thank you.

(Applause)

これは私がプロトタイプを 6時間ぶっ続けで作っているところで 自分のプロジェクトのためとはいえ奴隷労働です DIYやメーカームーブメントは現実にはこんな感じなんです 今日の建設・製造業も同様に 労力のみに頼った組み立てを行っています 私はこんな理由から物理的な素材に 自己構築のプログラムを組み込む研究を始めました

しかし 別の世界もあります 今日ではマイクロやナノレベルで 新たな革命が起きています これは 物理的 生物的な素材をプログラムして 素材自身に 形や特性を変えさせたり 従来の半導体を使わない計算をさせるものです cadnanoというソフトウェアまで開発され これを使えばナノロボットや薬物送達システムのような 3次元の形をデザインし DNAを用いて それらの機能性構造体を自己組織化で組み立てられます

しかし人間のスケールで見てみると ナノ技術では解決されていない 問題がたくさん存在します 建設や製造に目を向けると とても非効率的でエネルギーを浪費しており 労働技術も過度に要求されます インフラにおける例として配管に注目してみましょう 水道管は 高価なポンプやバルブを除いては 流量は一定なので 送水能力も決まっています それが地中に埋められています 何かが変われば ? 地面が動いたり 環境や需要が変化すれば ? 最初からやり直す必要があります水道管を掘り起こして交換するのです

そこで私が提案したいのは2つの世界を結合すること つまりナノスケールのプログラム可能で適応性のある素材と 周りの環境を結びつけるのです 単なる機械による自動化や 頭脳を持った機械が人間の代わりに働くのとは違います 自己構築のためプログラムできる素材を使うのです これは自己組織化と言われ 壊れたパーツが 周囲との相互作用のみを通じて きちんとした構造をつくりあげるプロセスです

では 人間のスケールでこれを行うためには何が必要でしょうか? 数種類の簡単な材料が要ります 1つ目は素材と形状ですが エネルギー源とセットになっている必要があります 熱、振動、空力、重力、磁力などの 環境から受け取れるエネルギーでも良いです 相互作用を厳密に設計する必要もあります それにより エラー訂正ができるようになったり 形状がある状態から別の状態へ遷移できるようになります

私が行ったプロジェクトをいくつかご紹介しましょう 1次元 2次元 3次元 更には4次元のシステムもあります 1次元のシステムでは ? 自己折り畳みタンパク質というプロジェクトで タンパク質の立体構造を再現するというアイデアです ここではクラムビンというタンパク質を用いました ? 主鎖を対象とし ? そのため架橋結合や周囲との相互作用はありません ? それを いくつかの部分に分け 中に伸縮素材を組み込みます これを空中に投げ上げキャッチすると タンパク質のとても複雑な立体構造が完全に再現されています これによりタンパク質の立体構造を 実体としてモデル化し折りたたみの原理や 幾何学的複雑性を理解することができます つまりタンパク質を直感的な物理モデルとして研究することができるのです 現在それを2次元のシステムに拡張中です 平たいシートに自己折り畳みをさせ立体構造をつくらせるのです

3次元に関しては昨年TEDGlobalでお見せした Autodesk社と アーサー・オルソンと共同で研究した 自律的なパーツがあります バラバラなパーツが勝手にくっつくのです このようなガラスビーカーを500個製作しました 中にはそれぞれ異なる分子構造が入っていて それぞれ色のものを組み合わせる事ができます これらをTEDsterの皆さんに進呈しました 人間スケールでの分子自己組織化が どのように行われるかを理解するための直感的なモデルとなりました これはポリオウィルスです 強く振るとバラバラになりますが ランダムに振ると エラーを訂正しながら 自動的に構造を形作り始めます これは不規則なエネルギーを与えることにより 規則的な形を作れることを示しています

更には ずっと大きなスケールでそれができることも示されました 昨年のTED Long Beachで 私たちは展示品を作る展示品を作りました 家具スケールの物体を自己組織化できるか試したわけです そこで私たちは回転式の大きな立体をつくり 来る人に様々な速度で回してもらい システムにエネルギーを与え 自己組織化がどう機能し マクロスケールの建築や 製品の製造技術として どう使えるか直感的な理解が得られました

私は先程4Dと言いましたね 新たなプロジェクトを今日初めて公開します Stratasys社との共同プロジェクトで 4Dプリンティングと言います 4Dプリンティングの背景にあるアイデアは 複数の素材でつくられた3Dプリントに ? つまり複数の素材を使えるということです ? 新たな能力を与えるというものです その能力とは変形能力であり パーツが立ちどころに 自力で ある形から別の形に直接変形できるようになるのです ワイヤーやモーターの無いロボット工学のようなものです パーツをプリントしさえすれば 別のものに変形します

Autodesk社とも協力し Project Cyborgというソフトウェアの開発も手がけました これにより 自己組織化の挙動をシミュレートし どの部分がいつ折り畳まれるか最適化する事が出来ます しかし最も重要なのは 単一のソフトウェアで ナノスケールでも ヒトスケールでも 自己組織化システムをデザインすることができることです このパーツは複数の素材でプリントされていますが 1つ目のデモをお見せしましょう このひも状のものを水に入れると これが勝手に折り畳まれ M I Tという文字になります バイアスがかった人間ですので もうひとつ大きなタンクに浸されたひも状の物体が 3次元構造である立方体に自力で折り畳まれるところです 人間は全く介在していません プログラムや変形能力が 素材に直接搭載されるのは おそらくこれが初めてでしょう また将来的にはより適応性の高いインフラを 生産するための工業技術となり得るかもしれません

きっとこう思いますよね おぉ こりゃ良い でもこれをどう使えば環境に適合させられるんだ? と そこで私はMITで研究室を設立し 自己組織化研究室と名付けました 人工環境向けの プログラム可能な素材の開発をしています いくつかの重点領域では 近いうちに実用化できると思います その中の1つは極限条件下での利用です 組み立てが困難な環境下では 現行の建設技術は役に立ちません 大き過ぎたり 危険過ぎたり 高価過ぎたり部品が多過ぎたりするからです 宇宙が良い例です 私たちは 宇宙用に 環境に応じて機能システムを変えることのできる 変形・自己組織化可能な構造をデザインしているところです

インフラの話に戻りましょう 私たちはボストン郊外のGeosyntecという企業と共同研究をしており パイプ技術にパラダイムシフトを起こそうとしています 水道管が容積や流率を変更できるよう 伸縮可能だったり 水自体を動かせるよう 蠕動(ぜんどう)のようにうねりを起こせたらどうでしょう これは 高価なポンプやバルブではありません プログラム可能かつ適応性のあるパイプです

今日皆さんにお伝えしたいのは 私たちの世界では組み立て作業は現実的には厳しいということです 複雑なものが 複雑なパーツから 複雑な方法でつくられています そのため どのような産業の人であれ 私たちと共に世界を再発明しすっかり変えてみませんか ナノスケールからヒトスケールまでものの作られ方が変わると このような世界から このような世界へと昇華できるのです

ありがとうございました

(拍手)

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品詞分類

  • 主語
  • 動詞
  • 助動詞
  • 準動詞
  • 関係詞等

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