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Fiorenzo Omenetto: Silk, the ancient material of the future
Fiorenzo Omenetto: Seide, ein altes Material für die Zukunft
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Fiorenzo Omenetto berichtet über mehr als 20 erstaunliche neue Verwendungsmöglichkeiten für Seide, einen der elegantesten natürlichen Rohstoffe – Seide leitet Licht, verbessert die Nachhaltigkeit, verstärkt Strukturen and erlaubt Entwicklungssprünge in der Medizin. Auf der Bühne präsentiert er einige faszinierende Objekte aus diesem vielseitigen Material.
Fiorenzo Omenetto - Biomedical engineer
Fiorenzo G. Omenetto's research spans nonlinear optics, nanostructured materials (such as photonic crystals and photonic crystal fibers), biomaterials and biopolymer-based photonics. Most recently, he's working on high-tech applications for silk. Full bio
Fiorenzo G. Omenetto's research spans nonlinear optics, nanostructured materials (such as photonic crystals and photonic crystal fibers), biomaterials and biopolymer-based photonics. Most recently, he's working on high-tech applications for silk. Full bio
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Ich bin überglücklich, hier zu sein.
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I'm going to talk about a new, old material
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Ich werde über ein neues altes Material sprechen,
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that still continues to amaze us,
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das uns immer wieder erstaunt
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and that might impact the way we think
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und das unser Denken beeinflussen könnte
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about material science, high technology --
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über Materialkunde, Hochtechnologie –
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and maybe, along the way,
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und vielleicht nebenbei auch einiges für Medizin,
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also do some stuff for medicine and for global health and help reforestation.
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Weltgesundheit und Wiederaufforstung bewirkt
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So that's kind of a bold statement.
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Das ist irgendwie eine sehr mutige Aussage.
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I'll tell you a little bit more.
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Ich erzähle euch ein bisschen mehr.
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This material actually has some traits that make it seem almost too good to be true.
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Es hat Eigenschaften, die scheinen zu schön um wahr zu sein
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It's sustainable; it's a sustainable material
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Es ist nachhaltig – es ist ein nachhaltiges Material
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that is processed all in water and at room temperature --
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das in Wasser und bei Raumtemberatur verarbeitet werden kann –
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and is biodegradable with a clock,
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es zersetzt sich mit präzise wie ein Uhrwerk,
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so you can watch it dissolve instantaneously in a glass of water
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man kann ihm beim Auflösen in einem Glas Wasser zusehen,
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or have it stable for years.
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oder es über Jahre hinaus stabil halten.
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It's edible; it's implantable in the human body
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Es ist essbar, im menschlichen Körper implantierbar
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without causing any immune response.
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ohne dass es irgendwelche Immunreaktionen hervorruft.
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It actually gets reintegrated in the body.
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Es wird sogar vom Körper aufgenommen.
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And it's technological,
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Es ist technologisch,
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so it can do things like microelectronics,
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so dass es in der Mikroelektronik einsetzbar ist,
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and maybe photonics do.
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vielleicht auch in der Photonik.
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And the material
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49000
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Das Material
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looks something like this.
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sieht irgendwie so aus.
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In fact, this material you see is clear and transparent.
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Tatsächlich ist das Material, das ihr seht, klar und transparent.
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The components of this material are just water and protein.
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Seine Komponenten sind nur Wasser und Proteine.
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So this material is silk.
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Dieses Material ist Seide.
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So it's kind of different
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Es ist irgendwie anders als das,
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from what we're used to thinking about silk.
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was wir uns gewöhnlich unter Seide vorstellen.
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So the question is, how do you reinvent something
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2000
Die Frage ist, wie man etwas neu erfindet,
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that has been around for five millennia?
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69000
3000
das es seit ungefähr 5000 Jahren gibt.
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The process of discovery, generally, is inspired by nature.
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Der Weg dieser Entdeckung ist von der Natur inspiriert.
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And so we marvel at silk worms --
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2000
Wir bestaunen die Seideraupe,
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the silk worm you see here spinning its fiber.
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77000
3000
die ihr hier beim Faserspinnen seht.
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The silk worm does a remarkable thing:
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80000
2000
Die Seideraupe macht etwas bemerkenswertes:
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it uses these two ingredients, protein and water,
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sie benutzt zwei Zutaten, Proteine und Wasser,
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that are in its gland,
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die in ihrer Spinndrüse sind,
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to make a material that is exceptionally tough for protection --
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um ein Material zu schaffen, das als Schutz außergewöhnlich hart ist,
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so comparable to technical fibers
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vergleichbar mit technischen Fasern
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like Kevlar.
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91000
2000
wie Kevlar.
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And so in the reverse engineering process
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2000
In der Umkehrung eines Herstellungsprozesses,
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that we know about,
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95000
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den wir kennen,
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and that we're familiar with,
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und mit dem wir aus der
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for the textile industry,
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99000
2000
Textilindustrie vertraut sind,
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the textile industry goes and unwinds the cocoon
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3000
die den Kokon auseinanderwickelt
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and then weaves glamorous things.
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2000
und daraus glamouröse Dinge webt,
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We want to know how you go from water and protein
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106000
2000
wollen wir wissen, wie man aus Wasser und Proteinen
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to this liquid Kevlar, to this natural Kevlar.
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3000
dieses flüssige, natürliche Kevlar erhält.
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So the insight
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2000
Die Erkenntnis besteht also darin,
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is how do you actually reverse engineer this
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3000
wie man diesen Prozess wirklich umkehrt
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and go from cocoon to gland
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2000
also vom Kokon zur Spinndrüse geht
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and get water and protein that is your starting material.
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und Wasser und Protein als Ausgangsmateralien erhält.
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And this is an insight
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2000
Diese Erkenntnis
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that came, about two decades ago,
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2000
hatte vor ungefähr zwei Jahrzenten jemand,
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from a person that I'm very fortunate to work with,
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4000
mit dem ich glücklicherweise zusammenarbeiten darf:
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David Kaplan.
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3000
David Kaplan.
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And so we get this starting material.
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Und so erhalten wir dieses Ausgangsmaterial.
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And so this starting material is back to the basic building block.
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3000
Es wird wieder zum Grundbaustein.
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And then we use this to do a variety of things --
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2000
Wir benutzen es, um eine Vielzahl von Dingen herzustellen,
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like, for example, this film.
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wie zum Beispeil dünne Filme.
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And we take advantage of something that is very simple.
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141000
2000
Wir nutzen dafür einen ganz einfachen Vorteil.
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The recipe to make those films
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143000
2000
Das Herstellungsrezept dieser Filme
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is to take advantage of the fact
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nutzt die Tatsache
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that proteins are extremely smart at what they do.
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dass Proteine sich sehr geschickt verhalten.
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They find their way to self-assemble.
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Sie finden ihren eigenen Weg, sich zusammenzufügen.
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So the recipe is simple: you take the silk solution, you pour it,
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3000
Das Rezept ist einfach: man nimmt die Seidelösung, gießt sie um,
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and you wait for the protein to self-assemble.
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154000
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und wartet, bis die Proteine sich selbst sortiert haben.
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And then you detach the protein and you get this film,
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156000
3000
Dann zieht man die Proteine ab und erhält diesen Film,
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as the proteins find each other as the water evaporates.
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3000
während die Proteine einander beim Verdunsten finden.
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But I mentioned that the film is also technological.
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162000
2000
Aber ich erwähnte, dass dieser Film auch technologisch ist.
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And so what does that mean?
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2000
Was heißt das ?
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It means that you can interface it
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3000
Das bedeutet, dass man ihn mit etwas verkoppeln kann,
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with some of the things that are typical of technology,
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169000
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mit typisch technologisch Dingen wie
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like microelectronics and nanoscale technology.
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171000
3000
Mikroelektronik und Nanotechnologie.
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And the image of the DVD here
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174000
2000
Das Bild dieser DVD hier
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is just to illustrate a point
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176000
2000
soll nur veranschaulichen,
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that silk follows very subtle topographies of the surface,
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178000
4000
dass Seide feinsten Oberflächenstrukturen folgt,
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which means that it can replicate features on the nanoscale.
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182000
3000
also Eigenschaften auch auf Nanoebene wiedergeben kann.
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So it would be able to replicate the information
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185000
2000
Seide könnte also Informationen
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that is on the DVD.
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3000
auf dieser DVD wiedergeben.
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And we can store information that's film with water and protein.
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Und wir können Information auf einem Wasser-Protein-Film speichern.
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So we tried something out, and we wrote a message in a piece of silk,
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3000
Also haben wir ausprobiert, eine Nachricht in ein Stück Seide zu schreiben,
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which is right here, and the message is over there.
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196000
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das hier ist – die Nachricht ist dort drüben.
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And much like in the DVD, you can read it out optically.
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Genau wie bei einer DVD kann man sie optisch auslesen.
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And this requires a stable hand,
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201000
2000
Das erfodert eine ruhige Hand,
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so this is why I decided to do it onstage in front of a thousand people.
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203000
3000
und so beschloss ich, es auf offener Bühne vor tausend Leuten zu tun.
03:42
So let me see.
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207000
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Lasst mich mal sehen.
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So as you see the film go in transparently through there,
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209000
2000
Ihr sehr also wie der Film hier transparent durchgeht,
03:46
and then ...
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211000
2000
und dann ...
03:53
(Applause)
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218000
7000
(Applaus)
04:00
And the most remarkable feat
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225000
2000
Das Bemerkenswerteste ist aber,
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is that my hand actually stayed still long enough to do that.
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227000
3000
dass meine Hand lange genug ruhig geblieben ist.
04:05
So once you have these attributes
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230000
3000
Wenn man einmal über die Eigenschaften
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of this material,
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233000
2000
dieses Materials verfügt,
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then you can do a lot of things.
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235000
2000
kann man vieles anstellen.
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It's actually not limited to films.
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237000
2000
Es ist nicht auf Filme beschränkt.
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And so the material can assume a lot of formats.
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239000
3000
Dieses Material kann viele Formen annehmen.
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And then you go a little crazy, and so you do various optical components
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3000
Du spinnst ein bisschen herum und baust optische Komponenten
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or you do microprism arrays,
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245000
2000
oder Mikroprismen-Felder,
04:22
like the reflective tape that you have on your running shoes.
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247000
2000
wie die Reflektorenbänder in Deinen Laufschuhen.
04:24
Or you can do beautiful things
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Oder Du erzeugst schöne Dinge
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that, if the camera can capture, you can make.
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251000
2000
wie dies hier, falls die Kamera das einfangen kann.
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You can add a third dimensionality to the film.
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253000
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Du kannst dem Film eine dritte Dimension hinzufügen.
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And if the angle is right,
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256000
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Und wenn der Winkel stimmt
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you can actually see a hologram appear in this film of silk.
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258000
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taucht hier ein Hologramm im Seidenfilm auf.
04:38
But you can do other things.
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2000
Aber Du kannst noch andere Sachen machen.
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You can imagine that then maybe you can use a pure protein to guide light,
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265000
2000
Du kanst Dir vorstellen, vielleicht ein reines Protein als Lichtleiter zu nutzen,
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and so we've made optical fibers.
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267000
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und so haben wir "Glasfasern" hergestellt.
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But silk is versatile and it goes beyond optics.
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269000
3000
Aber Seide ist vielseitig und geht über Optik hinaus.
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And you can think of different formats.
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272000
2000
Du kannst an andere Formen denken.
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So for instance, if you're afraid of going to the doctor and getting stuck with a needle,
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274000
3000
Wenn Du zum Beispiel zum Arzt gehst, und Angst hast, eine Spritze zu bekommen
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we do microneedle arrays.
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277000
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bauen wir Mikronadel-Reihen.
04:54
What you see there on the screen is a human hair
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279000
2000
Hier auf dem Schirm seht ihr ein menschliches Haar
04:56
superimposed on the needle that's made of silk --
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281000
2000
von einer Seidennadel überlagert,
04:58
just to give you a sense of size.
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283000
2000
nur um Euch ein Gefühl für die Größenordnung zu geben.
05:00
You can do bigger things.
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285000
2000
Du kannst größere Dinge machen.
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You can do gears and nuts and bolts --
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287000
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Getriebe, Schrauben, Muttern
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that you can buy at Whole Foods.
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289000
3000
die Du beim Lebensmittelhändler kaufen kannst.
05:07
And the gears work in water as well.
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292000
3000
Die Getriebe arbeiten auch unter Wasser.
05:10
So you think of alternative mechanical parts.
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295000
2000
Du kannst über alternative mechanische Teile nachdenken.
05:12
And maybe you can use that liquid Kevlar if you need something strong
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297000
3000
Vielleicht kannst Du das flüssige Kevlar nutzen, wenn Du etwas starkes brauchst,
05:15
to replace peripheral veins, for example,
121
300000
3000
zum Beispiel um Venen zu ersetzen,
05:18
or maybe an entire bone.
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303000
2000
oder einen ganzen Knochen.
05:20
And so you have here a little example
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305000
2000
Hier habt ihr ein kleines Beispiel
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of a small skull --
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307000
2000
eines winzigen Schädels,
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what we call mini Yorick.
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309000
2000
den wir Mini-Yorick nennen.
05:26
(Laughter)
126
311000
3000
(Gelächter)
05:29
But you can do things like cups, for example,
127
314000
3000
Du kannst auch Becher herstellen,
05:32
and so, if you add a little bit of gold, if you add a little bit of semiconductors
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317000
3000
und, mit ein wenig zugefügtem Gold und ein paar Halbleitern
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you could do sensors that stick on the surfaces of foods.
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320000
3000
Sensoren, die auf der Oberfläche von Nahrungsmitteln kleben.
05:38
You can do electronic pieces
130
323000
2000
Du kannst elektronische Teile herstellen
05:40
that fold and wrap.
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325000
2000
die sich falten und wickeln lassen
05:42
Or if you're fashion forward, some silk LED tattoos.
132
327000
3000
Oder, wenn Du Mode magst, seidene LED-Tattoos.
05:45
So there's versatility, as you see,
133
330000
3000
Ihr erkennt die Vielseitigkeit
05:48
in the material formats,
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333000
2000
in den Materialformaten,
05:50
that you can do with silk.
135
335000
3000
die man mit Seide erzeugen kann.
05:53
But there are still some unique traits.
136
338000
2000
Es gibt aber weitere einzigartige Eigenschaften.
05:55
I mean, why would you want to do all these things for real?
137
340000
3000
Ich meine, warum sollte man all diese Sachen überhaupt machen?
05:58
I mentioned it briefly at the beginning;
138
343000
2000
Ich habe es zu Anfang kurz erwähnt:
06:00
the protein is biodegradable and biocompatible.
139
345000
2000
Eiweiß ist biologisch abbaubar und kompatibel.
06:02
And you see here a picture of a tissue section.
140
347000
3000
Hier seht ihr ein Bild eines Gewebeschnitts.
06:05
And so what does that mean, that it's biodegradable and biocompatible?
141
350000
3000
Was heißt nun biologisch abbaubar und biologisch kompatibel ?
06:08
You can implant it in the body without needing to retrieve what is implanted.
142
353000
3000
Man kann es in den Körper einsetzen, ohne das Implantat wieder herausholen zu müssen.
06:11
Which means that all the devices that you've seen before and all the formats,
143
356000
4000
Das bedeutet, dass all diese Werkzeuge, die ihr vorher gesehen habt,
06:15
in principle, can be implanted and disappear.
144
360000
3000
im Prinzip implatiert werden können und dann verschwinden.
06:18
And what you see there in that tissue section,
145
363000
2000
Was ihr hier in der Gewebeprobe seht,
06:20
in fact, is you see that reflector tape.
146
365000
3000
ist tatsächlich das Reflektorenband.
06:23
So, much like you're seen at night by a car,
147
368000
3000
So, wie man nachts von einem Auto gesehen wird,
06:26
then the idea is that you can see, if you illuminate tissue,
148
371000
3000
kannst Du, wenn Du Gewebe beleuchtest
06:29
you can see deeper parts of tissue
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374000
2000
tiefere Gewebschichten erkennen
06:31
because there is that reflective tape there that is made out of silk.
150
376000
2000
weil da dieses Reflektorband aus Seide ist.
06:33
And you see there, it gets reintegrated in tissue.
151
378000
2000
Hier seht ihr, wie es vom Gewebe aufgenommen wird.
06:35
And reintegration in the human body
152
380000
2000
Und Reintegration in den menschlichen Körper
06:37
is not the only thing,
153
382000
2000
ist nicht das Einzige.
06:39
but reintegration in the environment is important.
154
384000
3000
Die Reintegration in die Umwelt ist wichtig.
06:42
So you have a clock, you have protein,
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387000
2000
Man hat Eiweiße mit eingebauter Uhr,
06:44
and now a silk cup like this
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389000
2000
und jetzt kann einen Seidenbecher wie dieser
06:46
can be thrown away without guilt --
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391000
3000
ohne Schuldgefühl weggeworfen werden.
06:49
(Applause)
158
394000
7000
(Applaus)
06:56
unlike the polystyrene cups
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401000
3000
Anders als diese Styroporbecher
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that unfortunately fill our landfills everyday.
160
404000
3000
die unsere Müllhalden leider täglich füllen.
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It's edible,
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407000
2000
Es ist essbar,
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so you can do smart packaging around food
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409000
2000
für intelligente Lebensmittel-Verpackungen,
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that you can cook with the food.
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411000
2000
die Du mitkochen kannst.
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It doesn't taste good,
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413000
2000
Es schmeckt nicht gut,
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so I'm going to need some help with that.
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415000
2000
da brauche ich noch etwas Hilfe.
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But probably the most remarkable thing is that it comes full circle.
166
417000
3000
Das Bemerkenswerteste ist vielleicht der mögliche komplette Kreislauf.
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Silk, during its self-assembly process,
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420000
2000
Während ihres Selbst-Zusammenbaus
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acts like a cocoon for biological matter.
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422000
2000
dient Seide als Kokon für Biomaterie.
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And so if you change the recipe,
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424000
2000
Wenn man das Rezept ändert
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and you add things when you pour --
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426000
2000
und Dinge beim Giessen zufügt
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so you add things to your liquid silk solution --
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2000
– Reagentien zur Seidenlösung zufügt –
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where these things are enzymes
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430000
2000
ob das nun Enzyme,
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or antibodies or vaccines,
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432000
3000
Antikörper oder Impfstoffe sind,
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the self-assembly process
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435000
2000
bleibt beim Selbst-Zusammenbau
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preserves the biological function of these dopants.
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437000
3000
die biologische Funktion der Wirkstoffe erhalten.
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So it makes the materials environmentally active
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440000
3000
Es macht die Materialien umweltaktiv
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and interactive.
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443000
2000
und interaktiv.
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So that screw that you thought about beforehand
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445000
2000
Die Schraube, an die Du zuerst dachtest,
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can actually be used
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447000
2000
kann dazu genutzt werden
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to screw a bone together -- a fractured bone together --
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449000
3000
einen gebrochenen Knochen zusammenzuschrauben
07:47
and deliver drugs at the same,
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452000
2000
und gleichzeitig die Medikamente liefern
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while your bone is healing, for example.
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454000
3000
während Dein Knochen heilt.
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Or you could put drugs in your wallet and not in your fridge.
183
457000
3000
Medikamente wären im Geldbeutel statt im Kühlschrank aufbewahrbar.
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So we've made a silk card
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460000
3000
Aso haben wir eine Seidenkarte
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with penicillin in it.
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463000
2000
mit Penicillin im Inneren hergestellt.
08:00
And we stored penicillin at 60 degrees C,
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465000
2000
Wir haben Penicillin bei 60° Celsius gelagert
08:02
so 140 degrees Fahrenheit,
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467000
2000
also 140° Fahrenheit,
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for two months without loss of efficacy of the penicillin.
188
469000
3000
2 Monate lang, ohne Wirkverlust des Penicillins.
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And so that could be ---
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472000
2000
Das könnte also –
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(Applause)
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474000
4000
(Applaus)
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that could be potentially a good alternative
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2000
könnte möglicherweise eine gute Alternative
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to solar powered refrigerated camels. (Laughter)
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480000
3000
zu "solarbetriebenen Kühl-Kamelen" sein.
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And of course, there's no use in storage if you can't use [it].
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483000
3000
Selbstverständlich ist Lagerung sinnlos, wenn man nichts verbrauchen kann.
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And so there is this other unique material trait
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486000
4000
Eine andere einzigartige Materialeigenschaft ist,
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that these materials have, that they're programmably degradable.
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490000
3000
dass man den Zerfall des Materials programmieren kann.
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And so what you see there is the difference.
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493000
2000
Hier sehr Ihr den Unterschied.
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In the top, you have a film that has been programmed not to degrade,
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495000
3000
Oben, einen Seidenfilm, der programmiert wurde, sich nicht zu zersetzen,
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and in the bottom, a film that has been programmed to degrade in water.
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498000
3000
und unten, einen Film, der auf Zerfall in Wasser programiert wurde.
08:36
And what you see is that the film on the bottom
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501000
2000
Wie ihr seht, entlässt der Film unten
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releases what is inside it.
200
503000
2000
das, was sich in ihm befindet.
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So it allows for the recovery of what we've stored before.
201
505000
3000
So erhält man wieder, was in ihm aufbewahrt wurde.
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And so this allows for a controlled delivery of drugs
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508000
3000
Dies ermöglicht kontrollierte Medikamentenabgabe
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and for reintegration in the environment
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511000
3000
und die Reintegration in die Umwelt
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in all of these formats that you've seen.
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514000
2000
aller Formate, die ihr hier gesehen habt.
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So the thread of discovery that we have really is a thread.
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516000
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Unser Entdeckungsfaden ist also tatsächlich ein Faden.
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We're impassioned with this idea that whatever you want to do,
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519000
3000
Wir sind begeistert von der Idee, dass was auch immer Ihr wollt,
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whether you want to replace a vein or a bone,
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522000
2000
eine Vene oder einen Knochen ersetzen,
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or maybe be more sustainable in microelectronics,
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524000
3000
nachhaltigere Werkstofe in der Mikroelektronik,
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perhaps drink a coffee in a cup
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2000
vielleicht eine Tasse Kaffee,
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and throw it away without guilt,
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die ohne Schuldgefühl wegwerfbar ist,
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maybe carry your drugs in your pocket,
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Medikamente in der Hosentasche zu haben,
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deliver them inside your body
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sie im Körper freizusetzen,
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or deliver them across the desert,
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oder sie durch die Wüste zu transportieren
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the answer may be in a thread of silk.
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537000
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die Antwort in einem seidenen Faden liegen mag.
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Thank you.
215
539000
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Danke
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(Applause)
216
541000
18000
(Applaus)
ABOUT THE SPEAKER
Fiorenzo Omenetto - Biomedical engineerFiorenzo G. Omenetto's research spans nonlinear optics, nanostructured materials (such as photonic crystals and photonic crystal fibers), biomaterials and biopolymer-based photonics. Most recently, he's working on high-tech applications for silk.
Why you should listen
Fiorenzo Omenetto is a Professor of Biomedical Engineering and leads the laboratory for Ultrafast Nonlinear Optics and Biophotonics at Tufts University and also holds an appointment in the Department of Physics. Formerly a J. Robert Oppenheimer Fellow at Los Alamos National Laboratory before joining Tufts, his research is focused on interdisciplinary themes that span nonlinear optics, nanostructured materials (such as photonic crystals and photonic crystal fibers), optofluidics and biopolymer based photonics. He has published over 100 papers and peer-review contributions across these various disciplines.
Since moving to Tufts at the end of 2005, he has proposed and pioneered (with David Kaplan) the use of silk as a material platform for photonics, optoelectronics and high-technology applications. This new research platform has recently been featured in MIT's Technology Review as one of the 2010 "top ten technologies likely to change the world."
Fiorenzo Omenetto | Speaker | TED.com