Elektryczne ciało

Niewygodne buty. Niezręczne kule. Bolesne sztuczne kończyny. Kiedy technologia spotyka się z biologią, interfejs rzadko jest bezbłędny – a urządzenia często przeszkadzają organizmom, którym mają pomagać. Hugh Herr, SM ’93, uważa, że ​​technolodzy mogą robić lepiej. Herr, profesor nadzwyczajny sztuk i nauk o mediach oraz lider Biomechatronics Group w Media Lab w MIT, buduje zaawansowane urządzenia, które wspomagają ludzki ruch poprzez naśladowanie natury.

W marcu Herr dał nagłówek w nagłówku Dyskusja TED o pracy w jego laboratorium nad stworzeniem specjalnej protezy, która pozwoliła Adrianne Haslet-Davis, tancerce, której noga została częściowo amputowana po zamachach bombowych w Boston Marathon w 2013 roku, wykonać rumbę dla publiczności. Ale nie tylko podkreślając pojedynczy projekt, przemówienie Herr zaprosiło publiczność do jego szerszej wizji: świata, w którym technologia usuwa niepełnosprawność, a światy syntetyczne i biologiczne płynnie się łączą.

Niezwykłe jest znalezienie badacza, którego praca i osobista historia są tak splecione, i to nie tylko dlatego, że Herr, sam po amputacji, chodzi teraz na bionicznych nogach, które zaprojektowało jego laboratorium. Jako alpinista i użytkownik protez, Herr ma bezpośrednie doświadczenie z frustrująco kiepskim projektem protetycznym – i determinację sportowca, by je przezwyciężyć. Jego laboratorium pracuje nad zrozumieniem sztuczek stosowanych przez ludzkie ciało do sprawnego poruszania się, a następnie przełożeniem tej wiedzy na urządzenia robotyczne, które mogą nie tylko przywrócić funkcję tym, którzy ją utracili, ale także poprawić normalne ludzkie możliwości.

Wyobraź sobie za 50 lat, z naprawdę zaawansowanymi technologiami bionicznymi, [jeśli] chcesz mieć trzecie ramię, możesz mieć trzecie ramię, mówi. To super .

Przekierowana pasja
Herr, lat 50, opisuje siebie jako osobę skoncentrowaną i mówi z powagą, która sprawia, że ​​łatwo można przegapić jego suchy humor. Kiedy był młody, ten intensywny nacisk był skierowany na jedną rzecz: wspinanie. Moim jedynym celem było zostać najlepszym wspinaczem na świecie, mówi. Przyznaje, że jego zainteresowania naukowe nie istniały. W 1982 roku, kiedy miał 17 lat, Herr i jego przyjaciel zostali złapani w śnieżycę podczas wspinaczki na Mount Washington w New Hampshire. Byli utknęli na trzy noce, zanim zostali uratowani; jeden człowiek, który próbował ich ratować, zmarł. Odmrożone nogi Herr zostały amputowane poniżej kolan.

To niepokojące dla każdej osoby, która po raz pierwszy otrzyma sztuczną kończynę, jak mało zaawansowane technologicznie i archaiczne jest ta technologia – z pewnością wtedy, mówi. Jego pierwsze protezy były tymczasowe z gniazdami gipsowymi i poinstruowano go, aby nie chodził bez kul lub innego podparcia: gips roztrzaskałby się pod jego pełnym ciężarem. Później dostał protezy stałe z drewna, gumy i plastiku, ale były sztywne i bolesne.

Jednak Herr odkrył, że wciąż może się wyróżniać w pionowym świecie wspinaczki skałkowej. W liceum uczył się obróbki narzędzi i matryc w szkole zawodowej; wkrótce po powrocie ze szpitala do domu założył warsztat w garażu i wykorzystał te umiejętności do projektowania i budowy własnych protez kończyn do wspinaczki skałkowej i lodowej. Wspinaczka to sport, w którym typowe ludzkie ciało może czuć się niezręcznie, o czym może zaświadczyć każdy, kto próbował balansować na małym stopniu lub wcisnąć stopę w szczelinę. Tak więc projekty Herr w ogóle nie wyglądały jak stopy. Szybko porzuciłem pogląd, że proteza musi wyglądać jak ludzka kończyna i zacząłem myśleć: co jest optymalne, co jest najlepsze dla funkcji? on mówi. Stworzył maleńkie stopki, które mogły balansować na cienkiej jak szept półce, oraz ostrza przypominające toporki, które mogły zmieścić się w szczelinie.

Wkrótce Herr zaczął wspinać się po trudniejszych drogach, niż opanował przed wypadkiem. Mówi, że to było bardzo inspirujące. Nigdy nie doceniałem zdolności technologii do tak gwałtownej zmiany życia jednostki. Oczywista ścieżka kariery, którą mógł obrać, pracując w firmie swojego ojca zajmującej się budową domów, nie była już dla niego opcją, a teraz miał żywotny interes w ulepszaniu sztucznych kończyn. Więc chociaż Herr nigdy nie zamierzał iść na studia, kilka lat po wypadku postanowił spróbować, zdobywając tytuł licencjata z fizyki na Millersville University w Pensylwanii w wieku 25 lat. Zastąpiło to moją pasję do wspinaczki, mówi. W ciągu dwóch lat przeszedłem od niemożności podjęcia 10 procent ze stu do studiowania mechaniki kwantowej na poziomie magisterskim. Podczas pobytu w Millersville uzyskał również swój pierwszy patent na protezę zębodołową zaprojektowaną z pęcherzami z płynem dla lepszego komfortu.

Po ukończeniu studiów Herr przybył do MIT, gdzie w 1993 roku uzyskał tytuł magistra inżynierii mechanicznej. Jego projekt pracy magisterskiej dotyczył niezwykłego pomysłu opracowania elastycznego skafandra, aby ułatwić wspinanie się w pionie: ruch sięgania w górę, aby chwycić uchwyt, rozciąga elastyczny skafander. , a jej zmagazynowana energia jest następnie wykorzystywana do wspomagania bardziej męczącego ruchu polegającego na podciąganiu ciała w górę. Jego laboratorium nadal pracuje nad tym pomysłem. W ramach swojego doktoratu z biofizyki na Harvardzie opracował model numeryczny opisujący sposób poruszania się konia i ustalił zasady naśladowania go w sposób robotyczny. Pracował również w Leg Lab firmy MIT, która poczyniła postępy w budowaniu robotów na nogach, które mogą chodzić i biegać. Laboratorium prowadził wówczas Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90 (jego założyciel Marc Raibert wyjechał już, aby pracować na pełny etat w założonej przez siebie firmie Boston Dynamics). Kiedy Herr ukończył szkołę, Pratt zatrudnił go jako postdoc.

Herr współpracował z Prattem, aby opracować sterowany komputerowo staw kolanowy, który wykorzystuje płyn magnetoreologiczny – płyn, którego lepkość zmienia się pod wpływem pola magnetycznego – do zmiany sztywności stawu podczas chodzenia.

Pratt był pod takim wrażeniem pracy Herra na kolanie, która ostatecznie została skomercjalizowana jako Rheo Knee, że mianował go współdyrektorem laboratorium, chociaż Herr był tylko podoktorem. Hugh miał ogromną praktyczną wiedzę na temat protetyki, miał niesamowicie dobrą intuicję w zakresie kontroli, a także był bardzo silny w zakresie fizyki, mówi Pratt, obecnie kierownik programu w DARPA. Kiedy Pratt opuścił MIT w 2000 roku, Herr przejął laboratorium, które ostatecznie przekształciło się w Biomechatronics Group w ramach Media Lab.

Nauka o chodzeniu
Goście grupy Biomechatronics, która zajmuje połowę dużej otwartej sali na drugim piętrze Media Lab, mogą przyjechać, aby zobaczyć przyszłość bioniki, ale często komentują bałagan. Laboratorium, które zazwyczaj jest wypełnione studentami i doktorantami pracującymi nad projektami, jest usiane częściami komputerowymi, filiżankami kawy, drutami, rolkami taśmy, przypadkowymi narzędziami i plastikowymi formami ludzkich stóp. Pośrodku przestrzeni znajduje się podwyższona platforma z bieżnią i zestawem poręczy na wysokości bioder. Dziesięć kamer wyszkolonych na platformie rejestruje ruchy osób, które biegają i chodzą po bieżni. To dlatego, że ważną częścią pracy laboratorium jest opisywanie, jak porusza się ludzkie ciało. Chodzenie, choć pozornie prosta czynność, nadal jest w dużej mierze tajemnicza, wykorzystując energię w bardzo ekonomiczny sposób, który jest trudny do odtworzenia w robotyce. Nie do końca rozumiemy, w jaki sposób kontroluje się mięśnie, co zaskakuje wiele osób – mówi Herr. Chociaż naukowcy byli w stanie symulować chodzenie ludzi wystarczająco dobrze, aby stworzyć chodzące roboty, takie jak te używane w robotycznym wyzwaniu DARPA, te roboty wymagają ogromnych ilości energii, aby robić to, co ludzie osiągają z niesamowitą wydajnością i gracją. Herr mówi, że zajmie jeszcze kilka lat, aby zrozumieć chodzenie na tyle dobrze, aby zaprogramować roboty i opracować urządzenia protetyczne, które skutecznie odtwarzają funkcje człowieka.

Te urządzenia do chodzenia i biegania zaprojektowane w laboratorium Herr są prekursorami systemu opracowanego przez jego firmę spin-off BiOM.

Twierdzi, że nauka ta ma kluczowe znaczenie dla projektowania systemów sterowania sprzętem i oprogramowaniem urządzeń bionicznych. Daniel Ferris, dyrektor Human Neuromechanics Laboratory na University of Michigan, mówi, że siłą Herr jest znajomość mechanizmów biologicznych i fizjologii oraz funkcjonowanie w sposób, którego nie zna większość inżynierów. Podczas gdy wielu inżynierów zbudowało roboty do poruszania się, żadne z nich nie dorównało zdolności Hugh do łączenia biologii z inżynierią.

Jego prace laboratoryjne nad modelowaniem ludzkiego stawu skokowego ostatecznie doprowadziły do ​​opracowania protezy, której używa dzisiaj Herr, sprzedawanej jako BiOM T2 przez jego startową firmę BiOM (wcześniej nazywaną iWalk). To pierwsza proteza stopy i kostki, która zachowuje się, jak to określa, bardziej jak motocykl niż rower, co oznacza, że ​​dostarcza energię do systemu, a nie polega wyłącznie na ludzkiej mocy.

W ludzkim chodzeniu największą siłę mają mięśnie łydki i staw skokowy. BiOM T2 wykorzystuje baterię do zasilania systemu mikroprocesorów, czujników, sprężyn i siłowników; staw zapewnia sztywność podczas uderzenia piętą, aby amortyzować wstrząsy, a następnie moc, aby pomóc w poruszaniu dolną częścią nogi w górę i do przodu podczas kroku. Kiedy brakuje ci tej mocy, jest ona istotna, mówi. Kiedy go odzyskasz, zmienia życie.

Aby pomóc Adrianne Haslet-Davis w występie, Herr i jego zespół przestudiowali i wymodelowali ludzki taniec oraz przeprogramowali protezę za pomocą algorytmów, które umożliwiłyby jej wykonanie niezbędnych obrotów. Zaprojektowali go również tak, aby zminimalizować baterię w łydce, aby nie przeszkadzała w krokach tanecznych.

Celem takich urządzeń jest uczynienie protez bardziej naturalnymi, a poprzez obniżenie kosztów energetycznych chodzenia, zmniejszenie stresu i zmęczenia stawów. Ale wprowadzenie urządzeń bionicznych do kliniki nie jest łatwe. Bob Emerson, protetyk w A Step Ahead Prosthetics, który pomaga łączyć pacjentów z projektami badawczymi w grupie Herr, mówi, że trudno jest przekonać ubezpieczycieli do płacenia za urządzenia takie jak BiOM. To dalekosiężna platforma technologiczna; ludzie nie rozumieją tego zbyt dobrze, mówi. Mówi, że potrzeba wizji i wytrwałości, aby wprowadzać ważne innowacje technologiczne na tak małym i wyspecjalizowanym rynku.

Nadal istnieją wady obecnych konstrukcji bionicznych – na przykład protezy kostki, takie jak Herr, przechodzą jedno lub dwa ładowanie baterii dziennie – więc Herr i jego koledzy pracują nad tym, aby urządzenia protetyczne były mniejsze, lżejsze, cichsze i wydajniejsze. Są również zaangażowani w prace nad zaprojektowaniem wygodniejszych gniazd do mocowania protez kończyn do ciała. Ludzie są miękcy i plastyczni, mówi Herr, a my nie jesteśmy statyczni; zmieniamy się w czasie, puchniemy, kurczymy się. Tak więc, jak przywiążesz do tego świat maszyn, jest naprawdę trudnym problemem.

Herr zmierzył się już z problemem zapewnienia ludziom lepszej, bardziej płynnej kontroli nad sztucznymi kończynami; jego protezy stawu skokowego BiOM dostosowują moment obrotowy i moc w odpowiedzi na skurcze mięśni. Teraz idzie o krok dalej, współpracując z chirurgami i innymi badaczami, aby umożliwić bezpośrednią kontrolę bionicznych kończyn przez układ nerwowy, co ma nadzieję zademonstrować u człowieka w ciągu najbliższych kilku lat. Podczas gdy interfejsy mózg-maszyna wymagałyby inwazyjnej chirurgii implantów mózgowych, on chce podłączyć urządzenia elektroniczne do nerwów obwodowych w miejscu urazu, umożliwiając ludziom kontrolowanie bionicznych kończyn za pomocą istniejących nerwów, a potencjalnie nawet postrzeganie odczuć w kończynie. Amputacja, która obecnie jest dość prymitywną operacją, może stać się skomplikowaną procedurą ustawiania ciała tak, by stykało się z bioniczną kończyną.

Rozszerzanie ludzkich możliwości
Wzdłuż jednej ze ścian laboratorium Biomechatronics Group na półkach na kółkach, znanych jako wózek deserowy, znajduje się szereg prototypów obecnych i wcześniejszych projektów: stawy skokowe, wydrukowane w 3D nasadki na nogi, drewniane stopy i buty narciarskie, które łączą się z silnikami i metalem Części. Chociaż kolekcja urządzeń protetycznych, które już wyprodukowało jego laboratorium, jest imponująca, Herr nie zadowala się jedynie przywracaniem utraconych zdolności. Jego laboratorium pracuje również nad technologiami, które mogłyby poprawić normalne funkcjonowanie człowieka, pozwalając nam chodzić lub biegać szybciej, nosić większy ciężar lub łatwiej się wspinać. Wózek deserowy zawiera wczesne projekty noszonych egzoszkieletów, które pozwalają ludziom dojeżdżać do pracy pieszo tak szybko, jak na rowerze lub nosić ciężkie ładunki bez zmęczenia.

Herr wspina się w Shawangunk w stanie Nowy Jork w 1990 roku, mając na skalnych ścianach protezy stóp, które zaprojektował na własny użytek.

Zbudowanie egzoszkieletu, który ułatwia poruszanie się, jest wyzwaniem — urządzenie musi zapewniać użytkownikowi korzyści, które przewyższają ciężar jego noszenia. Luke Mooney, doktorant w Biomechatronics Group, mówi, że wiele osób myśli o egzoszkielecie i wyobraża sobie garnitur w stylu Iron Mana. Ale ostatnio pracował z Herr nad znacznie bardziej minimalistycznym podejściem, skupiając się wyłącznie na dostarczaniu mechanicznej mocy kostce, aby zmniejszyć energię potrzebną do chodzenia. Ich prototyp, but trekkingowy przymocowany do szyny w dolnej części nogi i zasilany akumulatorem, który można nosić na sobie, jest pierwszym egzoszkieletem, który może faktycznie obniżyć koszty metaboliczne chodzenia, jak pokazano na badanie opublikowany w maju br. w Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation . Kiedy go odłączasz, nagle czujesz, że twoje stopy są blokami betonu, mówi Mooney.

Mimo tych sukcesów, technolodzy wciąż są daleko od odtworzenia naturalnych zdolności ciała lub zbudowania urządzeń do noszenia, które mogą radykalnie zwiększyć jego możliwości. Podziwiam kreatywność i wyjątkowe podejście Hugh oraz jego motywację, mówi Woodie Flowers, SM ’68, ME ’70, PhD ’72, emerytowany profesor inżynierii mechanicznej, który pomagał nadzorować prace badawcze Herr. Ale Herr pracuje w bardzo złożonym obszarze badawczym, który obejmuje bardzo intymną relację między złożonym człowiekiem a złożoną maszyną, podkreśla. Szanuję, jakie to trudne.

Przedefiniowanie dobrego ciała
Pomimo praktycznych wyzwań Herr ma dalekosiężną wizję połączenia technologii z biologią. Podczas gdy niektórzy badacze i inżynierowie ukrywają społeczne implikacje swojej pracy, stał się on zdecydowanym orędownikiem sposobów, w jakie technologia może ulepszyć organizm.

Wiele osób, które zostały kontuzjowane, szuka u niego motywacji, mówi Pratt. Część tej inspiracji pochodzi z postawy Herr wobec protez. Kiedy zdał sobie sprawę, że może wspinać się z protezami nóg, zaczął je celebrować, zamiast je ukrywać, malując je na jasne kolory. Dziś czasami nosi spodnie odcięte na kolanach, dzięki czemu jego protezy są widoczne.

Herr nigdy nie przejmował się wydawaniem normalnych nóg; oprócz wspinania się po stopach, zbudował sobie sztuczne kończyny, które pozwalają mu być niskim lub bardzo wysokim. Wiele osób chce zakamuflować swoje protezy, mówi, ponieważ normalny wygląd kojarzy im się z atrakcyjnością. Nie udało mi się nawiązać połączenia, mówi ze śmiechem. Jego poczucie atrakcyjności kształtowało wspinaczka; jako sportowiec zawsze uważał, że o seksowności decydują bardziej umiejętności niż wygląd. Nie obchodzi mnie, jak wyglądasz, mówi. Jeśli nie jesteś słaba – jeśli jesteś odwrotnie – jesteś bardzo seksowna.

Rzeczywiście, kiedy sztuczne kończyny stają się silniejsze i bardziej funkcjonalne, mogą czasami być postrzegane jako przeciwieństwo niepełnosprawności. W 1986 roku Herr jako druga osoba wspiął się na 120-metrową szczelinę w stanie Waszyngton, nazywaną City Park, wówczas uważaną za najtrudniejszą tego typu wspinaczkę w kraju. Kiedy inny wspinacz wspiął się na nią w 2006 roku, osiągnięcie Herra zostało zdyskontowane przez duży magazyn wspinaczkowy, ponieważ jego protezy nóg były postrzegane jako dające mu przewagę. Dostrzega podobieństwa do tego, jak świat zareagował na biegacza olimpijskiego Oscara Pistoriusa, podwójnie amputowanego, który został oskarżony o oszustwo, kiedy używał swoich protez nóg do rywalizacji ze sprawnymi sportowcami.

Nasza kultura jest wytrenowana, by myśleć, że osoba o niezwykłym ciele lub umyśle jest słaba, mówi Herr. Kiedy nie ma słabości, kiedy jest atleta, który faktycznie wygrywa z normalnym ciałem, pojawia się zamieszanie.

Wierzy, że zmienią się poglądy na protetykę. Wszyscy jesteśmy tak skoncentrowani na komórkach i tkankach, mówi. W jakiś sposób myślimy, że nasze komórki są święte i że jak tylko część naszego ciała jest zrobiona z atomów tytanu czy czegoś, staje się mniej ludzka – że nie można osadzić ludzkości w syntetykach. Przewiduje jednak, że to nastawienie będzie się utrzymywać tylko tak długo, jak długo obiekty, które przyczepiamy do ciała, będą prymitywne, niewygodne i źle funkcjonujące. Sztuczna kończyna, która nie próbuje wyglądać jak ludzka kończyna, może wydawać się brzydka, mówi, ale kiedy weźmiesz tę samą estetykę i uczynisz ją wysoce funkcjonalną i potężną, wtedy stanie się intrygująca i piękna.

Wierzy, że z czasem ludzie przestaną się przejmować tym, z czego jesteśmy stworzeni. Liczy się tylko to, kim jesteśmy i co robimy — jakość naszego życia, mówi.

ukryć