TED2011
Fiorenzo Omenetto: Silk, the ancient material of the future
Фиоренцо Оменетто: шелк, древний материал будущего
Filmed:
Readability: 4
803,457 views
Фиоренцо Оменетто расскадывает о более чем 20-ти удивительных применениях шёлка, одного из самых элегантных природных материалов – для передачи света, повышения устойчивости, увеличения прочности и революционных применений в медицине. На сцене он показывает несколько интригующих предметов из этого универсального материала.
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
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
Thank you.
0
0
2000
Спасибо.
00:17
I'm thrilled to be here.
1
2000
2000
Я очень рад быть здесь.
00:19
I'm going to talk about a new, old material
2
4000
3000
Я расскажу о материале одновременно старом и новом,
00:22
that still continues to amaze us,
3
7000
2000
который не перестаёт удивлять нас
00:24
and that might impact the way we think
4
9000
2000
и который может повлиять на наше понятие
00:26
about material science, high technology --
5
11000
3000
о науке о материалах, о высоких технологиях,
00:29
and maybe, along the way,
6
14000
2000
и, возможно, по ходу дела,
00:31
also do some stuff for medicine and for global health and help reforestation.
7
16000
3000
немного помочь медицине, глобальному здравоохранению и лесовосстановлению.
00:34
So that's kind of a bold statement.
8
19000
2000
Вот такое смелое заявление.
00:36
I'll tell you a little bit more.
9
21000
2000
Скажу вам больше.
00:38
This material actually has some traits that make it seem almost too good to be true.
10
23000
3000
Некоторые характеристики этого материала могут показаться нереально хорошими.
00:41
It's sustainable; it's a sustainable material
11
26000
2000
Он устойчив. Это устойчивый материал,
00:43
that is processed all in water and at room temperature --
12
28000
2000
для его обработки нужна только вода комнатной температуры,
00:45
and is biodegradable with a clock,
13
30000
2000
легко биоразлагаемый,
00:47
so you can watch it dissolve instantaneously in a glass of water
14
32000
3000
так что он может у вас на глазах раствориться в стакане воды,
00:50
or have it stable for years.
15
35000
2000
а может годами оставаться стабильным.
00:52
It's edible; it's implantable in the human body
16
37000
2000
Он съедобен и имплантируется в организм человека,
00:54
without causing any immune response.
17
39000
2000
не вызывая иммунной реакции.
00:56
It actually gets reintegrated in the body.
18
41000
2000
Фактически он реинтегрируется в организме.
00:58
And it's technological,
19
43000
2000
И он технологичен,
01:00
so it can do things like microelectronics,
20
45000
2000
поэтому он применим в микроэлектронике
01:02
and maybe photonics do.
21
47000
2000
и, возможно, волоконной оптике.
01:04
And the material
22
49000
2000
И этот материал
01:06
looks something like this.
23
51000
3000
выглядит примерно так.
01:09
In fact, this material you see is clear and transparent.
24
54000
3000
На самом деле этот материал чист и прозрачен.
01:12
The components of this material are just water and protein.
25
57000
3000
Он состоит только из воды и белка.
01:15
So this material is silk.
26
60000
3000
Этот материал – шёлк.
01:18
So it's kind of different
27
63000
2000
Он несколько отличается
01:20
from what we're used to thinking about silk.
28
65000
2000
от того, что мы привыкли думать о шёлке.
01:22
So the question is, how do you reinvent something
29
67000
2000
Итак, вопрос в том, как заново открыть то,
01:24
that has been around for five millennia?
30
69000
3000
что уже было у нас в течение пяти тысячелетий?
01:27
The process of discovery, generally, is inspired by nature.
31
72000
3000
Процесс открытия, как правило, вдохновляется природой.
01:30
And so we marvel at silk worms --
32
75000
2000
И поэтому мы восхищаемся шелкопрядами –
01:32
the silk worm you see here spinning its fiber.
33
77000
3000
здесь вы видите гусеницу, прядущую свою нить.
01:35
The silk worm does a remarkable thing:
34
80000
2000
Гусеница шелкопряда делает замечательную вещь:
01:37
it uses these two ingredients, protein and water,
35
82000
2000
при помощи двух компонентов, белка и воды,
01:39
that are in its gland,
36
84000
2000
которые находятся в её железе,
01:41
to make a material that is exceptionally tough for protection --
37
86000
3000
она создаёт исключительно жёсткий защитный материал,
01:44
so comparable to technical fibers
38
89000
2000
сравнимый с такими техническими волокнами,
01:46
like Kevlar.
39
91000
2000
как кевлар.
01:48
And so in the reverse engineering process
40
93000
2000
И так в процессе обратного инжениринга
01:50
that we know about,
41
95000
2000
того, что мы знаем,
01:52
and that we're familiar with,
42
97000
2000
что нам уже знакомо
01:54
for the textile industry,
43
99000
2000
по текстильной промышленности,
01:56
the textile industry goes and unwinds the cocoon
44
101000
3000
которая разматывает коконы
01:59
and then weaves glamorous things.
45
104000
2000
и затем ткёт гламурные вещи.
02:01
We want to know how you go from water and protein
46
106000
2000
Мы хотели понять, как из воды и белка получается
02:03
to this liquid Kevlar, to this natural Kevlar.
47
108000
3000
этот жидкий кевлар, натуральный кевлар.
02:06
So the insight
48
111000
2000
Нужно было понять,
02:08
is how do you actually reverse engineer this
49
113000
3000
как правильно провести обратный инжиниринг,
02:11
and go from cocoon to gland
50
116000
2000
перейти от кокона к железе
02:13
and get water and protein that is your starting material.
51
118000
3000
и получить воду и белок, являющийся исходным материалом.
02:16
And this is an insight
52
121000
2000
И это понимание
02:18
that came, about two decades ago,
53
123000
2000
пришло около двух десятилетий назад
02:20
from a person that I'm very fortunate to work with,
54
125000
4000
от человека, с которым мне очень повезло работать, –
02:24
David Kaplan.
55
129000
3000
это Давид Каплан.
02:27
And so we get this starting material.
56
132000
2000
Итак, мы получаем исходный материал.
02:29
And so this starting material is back to the basic building block.
57
134000
3000
Это исходное вещество – это наш строительный материал,
02:32
And then we use this to do a variety of things --
58
137000
2000
и мы изготавливаем из него множество вещей,
02:34
like, for example, this film.
59
139000
2000
например, плёнку.
02:36
And we take advantage of something that is very simple.
60
141000
2000
Мы пользуемся тем преимуществом, что всё очень просто.
02:38
The recipe to make those films
61
143000
2000
В рецепте, как сделать плёнку,
02:40
is to take advantage of the fact
62
145000
2000
используется тот факт,
02:42
that proteins are extremely smart at what they do.
63
147000
2000
что белки сами по себе работают очень умно.
02:44
They find their way to self-assemble.
64
149000
2000
Они находят способ собрать самих себя.
02:46
So the recipe is simple: you take the silk solution, you pour it,
65
151000
3000
Итак, рецепт прост: вы берёте раствор шёлка, наливаете его
02:49
and you wait for the protein to self-assemble.
66
154000
2000
и ждёте, пока белок соберётся сам.
02:51
And then you detach the protein and you get this film,
67
156000
3000
Тогда вы отделяете белок и получаете плёнку,
02:54
as the proteins find each other as the water evaporates.
68
159000
3000
когда молекулы белка находят друг друга, а вода испаряется.
02:57
But I mentioned that the film is also technological.
69
162000
2000
Но я упомянул, что плёнка также технологична.
02:59
And so what does that mean?
70
164000
2000
И что это значит?
03:01
It means that you can interface it
71
166000
3000
Это значит, что вы можете соединить её
03:04
with some of the things that are typical of technology,
72
169000
2000
с некоторыми из типично технологичных вещей,
03:06
like microelectronics and nanoscale technology.
73
171000
3000
вроде микроэлектроники и нанотехнологий.
03:09
And the image of the DVD here
74
174000
2000
Это изображение DVD –
03:11
is just to illustrate a point
75
176000
2000
чтобы проиллюстрировать тот факт,
03:13
that silk follows very subtle topographies of the surface,
76
178000
4000
что шёлк облегает очень мелкие неровности поверхности,
03:17
which means that it can replicate features on the nanoscale.
77
182000
3000
то есть, шёлк может повторить их на нано-уровне.
03:20
So it would be able to replicate the information
78
185000
2000
Таким образом можно копировать информацию,
03:22
that is on the DVD.
79
187000
3000
записанную на DVD.
03:25
And we can store information that's film with water and protein.
80
190000
3000
И мы можем хранить информацию на плёнке из воды и белка.
03:28
So we tried something out, and we wrote a message in a piece of silk,
81
193000
3000
Мы решили кое-что попробовать и записать сообщение в куске шёлка,
03:31
which is right here, and the message is over there.
82
196000
2000
который у меня в руках, и сообщение – в нём.
03:33
And much like in the DVD, you can read it out optically.
83
198000
3000
И так же, как в DVD, можно прочитать его оптически.
03:36
And this requires a stable hand,
84
201000
2000
Для этого нужно, чтобы руки не тряслись,
03:38
so this is why I decided to do it onstage in front of a thousand people.
85
203000
3000
вот почему я решил сделать это на сцене на глазах тысячи людей. (Смех в зале)
03:42
So let me see.
86
207000
2000
Итак, посмотрим.
03:44
So as you see the film go in transparently through there,
87
209000
2000
Как вы видите, плёнка прозрачна и пропускает свет,
03:46
and then ...
88
211000
2000
и вот...
03:53
(Applause)
89
218000
7000
(Аплодисменты)
04:00
And the most remarkable feat
90
225000
2000
Настоящий подвиг заключается в том,
04:02
is that my hand actually stayed still long enough to do that.
91
227000
3000
что я смог держать руку неподвижно, чтобы всё получилось.
04:05
So once you have these attributes
92
230000
3000
Поэтому, если у вас в распоряжении есть
04:08
of this material,
93
233000
2000
свойства этого материала,
04:10
then you can do a lot of things.
94
235000
2000
вы можете сделать много чего.
04:12
It's actually not limited to films.
95
237000
2000
Всё не ограничивается только плёнками.
04:14
And so the material can assume a lot of formats.
96
239000
3000
Материал может принимать самые различные формы.
04:17
And then you go a little crazy, and so you do various optical components
97
242000
3000
Можно немного посходить с ума и сделать разные оптические компоненты
04:20
or you do microprism arrays,
98
245000
2000
или матрицу из микропризм
04:22
like the reflective tape that you have on your running shoes.
99
247000
2000
вроде отражательной ленты у вас на кроссовках.
04:24
Or you can do beautiful things
100
249000
2000
Или можно делать красивые вещи,
04:26
that, if the camera can capture, you can make.
101
251000
2000
если только камера сможет снять это,
04:28
You can add a third dimensionality to the film.
102
253000
3000
Вы можете добавить третье измерение в плёнке,
04:31
And if the angle is right,
103
256000
2000
и если угол правильный,
04:33
you can actually see a hologram appear in this film of silk.
104
258000
3000
вы сможете увидеть, как в шёлковой плёнке появляется голограмма.
04:38
But you can do other things.
105
263000
2000
Можно делать и другие вещи.
04:40
You can imagine that then maybe you can use a pure protein to guide light,
106
265000
2000
Представьте себе, можно использовать чистый белок как световод,
04:42
and so we've made optical fibers.
107
267000
2000
поэтому мы сделали оптические волокна.
04:44
But silk is versatile and it goes beyond optics.
108
269000
3000
Но шёлк универсален и выходит за рамки оптики.
04:47
And you can think of different formats.
109
272000
2000
Можете представить себе разные форматы.
04:49
So for instance, if you're afraid of going to the doctor and getting stuck with a needle,
110
274000
3000
Так, например, если вы боитесь идти к врачу, который будет тыкать в вас иголками,
04:52
we do microneedle arrays.
111
277000
2000
мы делаем матрицы микроиголок.
04:54
What you see there on the screen is a human hair
112
279000
2000
Здесь на экране вы видите человеческих волос,
04:56
superimposed on the needle that's made of silk --
113
281000
2000
наложенный на иглу, сделанную из шёлка –
04:58
just to give you a sense of size.
114
283000
2000
просто чтобы дать вам представление о размере.
05:00
You can do bigger things.
115
285000
2000
Можно делать и большие вещи.
05:02
You can do gears and nuts and bolts --
116
287000
2000
Можно делать шестерни, гайки и болты,
05:04
that you can buy at Whole Foods.
117
289000
3000
которые продаются в Whole Foods [магазин органических продуктов]
05:07
And the gears work in water as well.
118
292000
3000
Эти шестерни работают и в воде.
05:10
So you think of alternative mechanical parts.
119
295000
2000
Задумайтесь об альтернативных механических частях.
05:12
And maybe you can use that liquid Kevlar if you need something strong
120
297000
3000
Можно использовать этот жидкий кевлар для создания прочных вещей,
05:15
to replace peripheral veins, for example,
121
300000
3000
например, заменить периферические сосуды,
05:18
or maybe an entire bone.
122
303000
2000
или, может быть, целые кости.
05:20
And so you have here a little example
123
305000
2000
У нас есть здесь маленький пример –
05:22
of a small skull --
124
307000
2000
небольшой череп,
05:24
what we call mini Yorick.
125
309000
2000
мы зовём его мини-Йорик.
05:26
(Laughter)
126
311000
3000
(Смех в зале)
05:29
But you can do things like cups, for example,
127
314000
3000
Но можно делать и стаканы, например,
05:32
and so, if you add a little bit of gold, if you add a little bit of semiconductors
128
317000
3000
а если добавить немного золота и полупроводников,
05:35
you could do sensors that stick on the surfaces of foods.
129
320000
3000
можно сделать сенсоры, которые клеятся на поверхность продуктов.
05:38
You can do electronic pieces
130
323000
2000
Можно сделать электронику,
05:40
that fold and wrap.
131
325000
2000
которую можно сгибать и сворачивать.
05:42
Or if you're fashion forward, some silk LED tattoos.
132
327000
3000
Или, если появится такая мода, светодиодные шёлковые татуировки.
05:45
So there's versatility, as you see,
133
330000
3000
Как вы видите, шёлк
05:48
in the material formats,
134
333000
2000
в смысле формата материала
05:50
that you can do with silk.
135
335000
3000
даёт полную универсальность.
05:53
But there are still some unique traits.
136
338000
2000
Но есть ещё несколько уникальных черт.
05:55
I mean, why would you want to do all these things for real?
137
340000
3000
Зачем нам на самом деле делать всё это?
05:58
I mentioned it briefly at the beginning;
138
343000
2000
Я кратко упомянул это в начале:
06:00
the protein is biodegradable and biocompatible.
139
345000
2000
белок биологически разлагаем и биосовместим.
06:02
And you see here a picture of a tissue section.
140
347000
3000
И вы видите, здесь на рисунке срез тканей.
06:05
And so what does that mean, that it's biodegradable and biocompatible?
141
350000
3000
Что значит "биоразлагаемый" и "биосовместимый"?
06:08
You can implant it in the body without needing to retrieve what is implanted.
142
353000
3000
Вы можете имплантировать его в тело, и не нужно будет потом извлекать имплант.
06:11
Which means that all the devices that you've seen before and all the formats,
143
356000
4000
Это означает, что все устройства, которые вы видели раньше, во всех форматах,
06:15
in principle, can be implanted and disappear.
144
360000
3000
в принципе могут быть имплантированы и растворены.
06:18
And what you see there in that tissue section,
145
363000
2000
На этом срезе тканей вы видите
06:20
in fact, is you see that reflector tape.
146
365000
3000
ту самую отражательную ленту.
06:23
So, much like you're seen at night by a car,
147
368000
3000
Подобно тому, как ночью вас лучше видно из машины,
06:26
then the idea is that you can see, if you illuminate tissue,
148
371000
3000
идея в том, что будет лучше видно, если осветить ткани,
06:29
you can see deeper parts of tissue
149
374000
2000
вы можете увидеть более глубокие слои ткани,
06:31
because there is that reflective tape there that is made out of silk.
150
376000
2000
потому что в неё заложена отражательная лента из шёлка.
06:33
And you see there, it gets reintegrated in tissue.
151
378000
2000
И вы видите, что она реинтегрируется в ткань.
06:35
And reintegration in the human body
152
380000
2000
Реинтеграция в организм человека –
06:37
is not the only thing,
153
382000
2000
не единственно важная вещь.
06:39
but reintegration in the environment is important.
154
384000
3000
Важна также реинтеграция в окружающую среду.
06:42
So you have a clock, you have protein,
155
387000
2000
Итак, у вас есть часы, у вас есть белок,
06:44
and now a silk cup like this
156
389000
2000
и теперь шелковый стаканчик вроде этого
06:46
can be thrown away without guilt --
157
391000
3000
можно выбрасывать без зазрения совести.
06:49
(Applause)
158
394000
7000
(Аплодисменты)
06:56
unlike the polystyrene cups
159
401000
3000
В отличие от полистироловых стаканчиков,
06:59
that unfortunately fill our landfills everyday.
160
404000
3000
которые, к сожалению, заполняют наши свалки каждый день.
07:02
It's edible,
161
407000
2000
Он съедобен,
07:04
so you can do smart packaging around food
162
409000
2000
так что вы можете сделать умную упаковку для продуктов
07:06
that you can cook with the food.
163
411000
2000
и даже готовить пищу вместе с ним.
07:08
It doesn't taste good,
164
413000
2000
Правда, он невкусный,
07:10
so I'm going to need some help with that.
165
415000
2000
скорее всего в этом мне понадобится помощь.
07:12
But probably the most remarkable thing is that it comes full circle.
166
417000
3000
Но, наверное, самое замечательное в том, что он проходит полный цикл.
07:15
Silk, during its self-assembly process,
167
420000
2000
Шёлк во время процесса самосборки
07:17
acts like a cocoon for biological matter.
168
422000
2000
действует как кокон для биологической материи.
07:19
And so if you change the recipe,
169
424000
2000
И поэтому, если вы измените рецепт,
07:21
and you add things when you pour --
170
426000
2000
и вы добавите что-то в разливку,
07:23
so you add things to your liquid silk solution --
171
428000
2000
то есть вы добавляете в жидкий раствор шёлка
07:25
where these things are enzymes
172
430000
2000
такие вещи как ферменты,
07:27
or antibodies or vaccines,
173
432000
3000
антитела или вакцины,
07:30
the self-assembly process
174
435000
2000
а процесс самосборки
07:32
preserves the biological function of these dopants.
175
437000
3000
сохраняет биологические функции этих примесей.
07:35
So it makes the materials environmentally active
176
440000
3000
Так шёлк делает материалы экологически активными
07:38
and interactive.
177
443000
2000
и интерактивными.
07:40
So that screw that you thought about beforehand
178
445000
2000
Так что винт, о котором вы позаботитесь заранее,
07:42
can actually be used
179
447000
2000
на самом деле можно использовать
07:44
to screw a bone together -- a fractured bone together --
180
449000
3000
для стягивания костей – обломков при переломе –
07:47
and deliver drugs at the same,
181
452000
2000
и одновременно доставлять туда лекарство
07:49
while your bone is healing, for example.
182
454000
3000
прямо в процессе сращивания кости.
07:52
Or you could put drugs in your wallet and not in your fridge.
183
457000
3000
Или вы могли бы держать лекарства в бумажнике, а не в холодильнике.
07:55
So we've made a silk card
184
460000
3000
Мы сделали шёлковые карточки
07:58
with penicillin in it.
185
463000
2000
с пенициллином.
08:00
And we stored penicillin at 60 degrees C,
186
465000
2000
Мы хранили пенициллин в таком виде при 60°С,
08:02
so 140 degrees Fahrenheit,
187
467000
2000
или 140°F,
08:04
for two months without loss of efficacy of the penicillin.
188
469000
3000
в течение двух месяцев без потери эффективности пенициллина.
08:07
And so that could be ---
189
472000
2000
И это могло бы быть...
08:09
(Applause)
190
474000
4000
(Аплодисменты)
08:13
that could be potentially a good alternative
191
478000
2000
потенциально хорошей альтернативой
08:15
to solar powered refrigerated camels. (Laughter)
192
480000
3000
верблюдам с холодильниками на солнечной энергии.
08:18
And of course, there's no use in storage if you can't use [it].
193
483000
3000
Конечно, нет смысла хранить, если нельзя использовать.
08:21
And so there is this other unique material trait
194
486000
4000
Ещё одна уникальная черта этого материала –
08:25
that these materials have, that they're programmably degradable.
195
490000
3000
его можно запрограммировать на разложение.
08:28
And so what you see there is the difference.
196
493000
2000
Итак, как вы видите, здесь есть разница.
08:30
In the top, you have a film that has been programmed not to degrade,
197
495000
3000
Плёнка вверху была запрограммирована не разлагаться,
08:33
and in the bottom, a film that has been programmed to degrade in water.
198
498000
3000
плёнка внизу была запрограммирована растворяться в воде.
08:36
And what you see is that the film on the bottom
199
501000
2000
И вы видите, что нижняя плёнка
08:38
releases what is inside it.
200
503000
2000
выпускает то, что было в ней.
08:40
So it allows for the recovery of what we've stored before.
201
505000
3000
Так можно получать обратно то, что хранилось в шёлке.
08:43
And so this allows for a controlled delivery of drugs
202
508000
3000
Это позволяет контролируемо доставлять лекарства
08:46
and for reintegration in the environment
203
511000
3000
и обеспечивать реинтеграцию в окружающую среду
08:49
in all of these formats that you've seen.
204
514000
2000
всех тех форматов, которые вы видели.
08:51
So the thread of discovery that we have really is a thread.
205
516000
3000
Итак, красной нитью наших исследований действительно является нить.
08:54
We're impassioned with this idea that whatever you want to do,
206
519000
3000
Мы захвачены этой идеей, что можно сделать всё что угодно,
08:57
whether you want to replace a vein or a bone,
207
522000
2000
хотите ли вы заменить сосуды или кости
08:59
or maybe be more sustainable in microelectronics,
208
524000
3000
или продвинуться дальше в микроэлектронике,
09:02
perhaps drink a coffee in a cup
209
527000
2000
пить кофе из стаканчика
09:04
and throw it away without guilt,
210
529000
2000
и выбрасывать его без зазрения совести,
09:06
maybe carry your drugs in your pocket,
211
531000
2000
держать лекарственные препараты в кармане,
09:08
deliver them inside your body
212
533000
2000
доставлять их внутрь вашего тела
09:10
or deliver them across the desert,
213
535000
2000
или доставлять их через пустыню, –
09:12
the answer may be in a thread of silk.
214
537000
2000
ответ на все эти вопросы может быть в нити шёлка.
09:14
Thank you.
215
539000
2000
Спасибо.
09:16
(Applause)
216
541000
18000
(Аплодисменты)
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