Die neue Bionik – lasst uns laufen, rennen und tanzen

Hugh Herr baut gerade die nächste Generation von bionischen Gliedmaßen, Roboter-Prothesen, inspiriert von den Designs der Natur. Herr verlor beide Beine in einem Kletterunfall vor 30 Jahren; jetzt, als Leiter der MIT Media Lab Biomechatronik-Gruppe, zeigt er seine unglaubliche Technologie in einem Vortrag, der sowohl technisch als auch sehr persönlich ist — mit Hilfe von Turniertänzerin Adrianne Haslet-Davis, die ihr linkes Bein 2013 beim Boston Marathon Anschlag verlor und jetzt zum ersten Mal seitdem auf der TED Bühne tanzt.

Indem sie mit der Lupe der Wissenschaft

tief in die Natur blicken,

extrahieren die Designer Prinzipien,
Prozesse und Materialien,

die die Grundlage
der Designmethodik bilden.

Von synthetischen Konstrukten,
die biologischen Materialien ähneln,

zu computergestützten Methoden,
die neuronale Prozesse nachahmen,

treibt die Natur Design an.

Design treibt auch die Natur voran.

In der Genetik, der regenerativen Medizin
und der synthetischen Biologie

entwickeln Designer neue Technologien,

die von der Natur nicht vorhergesehen
oder erwartet wurden.

Bionik erforscht das Zusammenspiel
von Biologie und Design.

Wie Sie sehen, sind meine Beine bionisch.

Heute werde ich menschliche Geschichten
über die bionische Integration erzählen,

wie Elektromechanik, die am Körper
befestigt und in ihn implantiert wird,

die Lücke zwischen Behinderung
und Befähigung,

zwischen menschlicher Einschränkung
und menschlichem Potential überbrückt.

Bionik hat meine Körperlichkeit definiert.

Im Jahr 1982 wurden
mir beide Beine amputiert

aufgrund von Erfrierungen

nach einem Bergsteigerunfall.

Zu dieser Zeit sah ich meinen Körper
nicht als kaputt an.

Ich dachte mir, dass ein Mensch
niemals "kaputt" sein kann.

Technologie ist kaputt.

Technologie ist unzureichend.

Diese einfache, aber mächtige Idee
war ein Ruf zu den Waffen,

um die Technologie für die Eliminierung
meiner eigenen Behinderung

und letztlich die Behinderung
anderer voranzutreiben.

Ich begann mit der Entwicklung
spezialisierter Gliedmaßen,

die mir die Rückkehr in die vertikale Welt

des Fels- und Eiskletterns erlaubten.

Ich erkannte schnell, dass der künstliche
Teil meines Körpers formbar ist;

in der Lage, jede Form
und jede Funktion anzunehmen --

ein leeres Blatt, für das man
vielleicht Strukturen schaffen könnte,

die über biologische
Fähigkeiten hinausgehen.

Ich machte meine Körpergröße justierbar.

Ich konnte nur 1,50 m sein
oder so groß, wie ich wollte.

(Lachen)

Wenn ich mich schlecht
und unsicher fühlte,

würde ich meine Größe erhöhen.

(Lachen)

Aber wenn ich mich
selbstsicher und gut fühlte,

reduzierte ich meine Größe,
um der Konkurrenz eine Chance zu geben.

(Lachen)

(Beifall)

Schmalkantige Füße erlaubten mir,
steile Felsspalten zu besteigen,

in die der menschliche Fuß
nicht eindringen konnte,

und stachlige Füße ermöglichten es mir,
an senkrechten Eiswänden zu klettern,

ohne jemals Muskelermüdung zu spüren.

Durch technologische Innovation

kehrte ich stärker und besser
zu meinem Sport zurück.

Technik hatte meine Behinderung beseitigt

und mir neue Fähigkeiten
beim Klettern verschafft.

Damals stellte ich mir eine Zukunft vor,
in der eine fortschrittliche Technologie

die Welt von Behinderung befreien könnte.

Eine Welt, in der Sehbehinderte

durch neurale Implantate sehen können,

wo der Gelähmte
dank Exoskeletten gehen kann.

Leider ist Behinderung
wegen mangelnder Technologie

weit verbreitet.

Diesem Mann fehlen drei Gliedmaßen.

Dank der aktuellen Technologie
ist er aus dem Rollstuhl raus,

doch wir müssen
in der Bionik besser werden,

um Person mit solchen Verletzungen

vollständige Rehabilitation zu ermöglchen.

Am MIT Media Lab gründeten wir
das Zentrum für Extreme Bionik.

Die Mission des Zentrums ist es,
Grundlagenforschung zu betreiben

und technische Fähigkeiten zu entwickeln,

die die biomechanische
und regenerative Reparatur von Menschen

über eine breite Palette von
Gehirn- und Körperbehinderungen erlauben.

Heute erzähle ich Ihnen,
wie meine Beine funktionieren,

als Beispiel für dieses Zentrum.

Ich habe mir gestern Abend
die Beine rasiert,

weil ich wusste,
dass ich sie vorführen würde.

(Lachen)

Bionik beinhaltet die Konstruktion
extremer Schnittstellen.

In meinen bionischen Gliedern
gibt es drei extreme Schnittstellen:

mechanisch, wie meine Beine
am Körper befestigt sind;

dynamisch, wie sie sich
wie Fleisch und Knochen bewegen;

und elektrisch, wie sie mit meinem
Nervensystem kommunizieren.

Ich beginne mit der
mechanischen Schnittstelle.

Designer verstehen immer noch nicht,

wie man Geräte mechanisch
am Körper anbringt.

Es ist bemerkenswert für mich,

dass eine der ältesten Technologien
der menschlichen Geschichte, der Schuh,

uns auch heute noch Blasen verursacht.

Wie kann das sein?

Wir haben keine Ahnung,
wie man Dinge an unserem Körper anbringt.

Dies ist die wunderschön
lyrische Designarbeit

von Professor Neri Oxman
vom MIT Media Lab,

die räumlich variierende
exoskeletale Impedanzen zeigt,

hier veranschaulicht durch Farbvariation
in diesem 3D-gedruckten Modell.

Stellen Sie sich eine Zukunft vor,
in der Kleidung steif und weich ist,

wo und wann Sie es für optimale
Unterstützung und Flexibilität brauchen,

ohne jemals unbequem zu sein.

Meine bionischen Gliedmaßen
sind an meinem biologischen Körper

über synthetische Häute
mit variierender Steifheit befestigt,

die die Biomechanik meines
darunter liegenden Gewebes widerspiegeln.

Um diese Spiegelung zu erreichen,
entwickelten wir zuerst

ein mathematisches Modell meines Beines.

Dabei verwendeten wir
Bildgebungsverfahren wie MRT,

um in meinen Körper zu schauen,

um die Geometrien und Positionen
verschiedener Gewebe herauszufinden.

Wir nahmen auch Roboterwerkzeuge --

hier ein Kreis von 14 Aktuatoren,
der um das biologische Bein geht.

Die Aktuatoren kommen herein,
finden die Oberfläche des Beines,

messen sein unbelastete Form,

und dann drücken sie auf die Gewebe,

um die Nachgiebigkeit des Gewebes
an jedem anatomischen Punkt zu messen.

Wir kombinieren diese Bild-
und Roboterdaten,

um eine mathematische Beschreibung
meines biologischen Beins zu erstellen.

Sie sehen die Punkte, oder Knoten?

Jeder Knoten hat eine Farbe,
die die Gewebenachgiebigkeit darstellt.

Wir rechnen die Daten dann um,
in das Design der synthetischen Haut,

das Sie rechts sehen.

Wir haben als Optimum gefunden:

wo der Körper steif ist,
sollte die synthetische Haut weich sein,

wo der Körper weich ist,
ist die synthetische Haut steif,

und diese Spiegelung
erfolgt für jede Gewebenachgiebigkeit.

Mit diesem Rahmenwerk haben wir
bionische Gliedmaßen hergestellt,

die die bequemsten Gliedmaßen sind,
die ich je getragen habe.

In der Zukunft werden unsere Kleidung,
unsere Schuhe, Zahnspangen und Prothesen

nicht mehr mit handwerklichen Strategien
entworfen und hergestellt,

sondern mit datengesteuerten
quantitativen Verfahren.

In dieser Zukunft werden unsere Schuhe
keine Blasen mehr verursachen.

Wir integrieren auch "fühlende"
und intelligente Materialien

in die synthetischen Häute.

Dieses Material hier hat
SRI International, California entwickelt.

Unter elektrostatischem Effekt
ändert es seine Steifigkeit.

Ohne Spannung ist das Material biegsam,

es ist weich wie Papier.

Dann wird die Taste gedrückt,
eine Spannung angelegt,

und es wird steif wie ein Brett.

(Klopfgeräusche)

Wir betten dieses Material
in die synthetische Haut ein,

die mein bionisches Bein
an meinem Körper befestigt.

Wenn ich hier gehe, ist es ohne Spannung.

Meine Schnittstelle
ist weich und nachgiebig.

Die Taste wird gedrückt,
Spannung angelegt, und es versteift

und bietet mir eine größere Kontrolle
über das bionischen Bein.

Wir bauen auch Exoskelette.

Dieses Exoskelett wird steif und weich

in den richtigen Bereichen des Laufzyklus,

um die Gelenke vor starken Schlägen
und Abnutzung zu schützen.

In der Zukunft tragen wir alle Exoskelette

bei gewöhnlichen Aktivitäten wie Laufen.

Weiter, dynamische Schnittstelle.

Warum bewegen sich meine bionischen Beine
wie Fleisch und Knochen?

In meinem MIT-Labor untersuchen wir,
wie Menschen mit normaler Physiologie

stehen, laufen und rennen.

Was tun die Muskeln

und wie werden sie
vom Rückenmark kontrolliert?

Aus dieser Grundlagenforschung
resultiert, was wir bauen.

Wir bauen bionische Knöchel,
Knie und Hüften.

Wir bauen Körperteile von Grund auf.

Die bionischen Gliedmaßen,
die ich trage, heißen BiOMs.

Die haben fast 1.000 Patienten erhalten,

davon 400 verwundete US-Soldaten.

Wie funktioniert es?

Unter Computerkontrolle steuert das System

beim Fersenauftritt die Steifheit,

um den Schock für das auf
den Boden auftreffende Bein zu dämpfen.

In der Mitte der Bewegung
gibt das bionische Bein hohe Kräfte ab,

um die Person in den Schritt zu heben,

vergleichbar mit der Arbeit
der Muskeln in der Wade.

Dieser bionische Antrieb
ist klinisch sehr wichtig für Patienten.

Links sehen Sie das bionische Gerät,
getragen von einer Dame,

rechts die gleiche Dame
mit einem passiven Gerät,

das normale Muskeln nicht nachahmen kann.

Das ermöglicht ihr, etwas zu tun,
was jeder tun können sollte:

die Treppen zu Hause zu benutzen.

Die Bionik erlaubt auch
außergewöhnliche athletische Leistungen.

Hier läuft ein Herr
einen steinigen Weg hinauf.

Das ist Steve Martin --
nicht der Komiker --

der bei einer Bombenexplosion
in Afghanistan seine Beine verlor.

Wir bauen auch Exoskelette
nach denselben Prinzipien auf,

die sich um das biologische Bein ranken.

Dieser Herr hat keine Beinleiden,
keine Behinderung.

Er hat eine normale Physiologie,

also üben diese Exoskelette muskelähnliche
Drehmomente und Kräfte aus,

sodass seine eigenen Muskeln
diese Kräfte nicht leisten müssen.

Dies ist das erste Exoskelett der Welt,
das menschliches Gehen verbessert.

Es reduziert den Kraftaufwand erheblich.

Die Verstärkung ist so grundlegend,

dass wenn eine normale, gesunde Person
das Gerät für 40 Minuten trägt

und dann ablegt,

sich ihre eigenen biologischen Beine
lächerlich schwer und unbeholfen anfühlen.

Wir Stehen am Anfang des Zeitalters,
in dem Maschinen an unseren Körpern

uns stärker, schneller
und effizienter machen werden.

Weiter zur elektrischen Schnittstelle:

Wie kommunizieren meine bionischen Beine
mit meinem Nervensystem?

Über meinen Stumpf verteilt
sind Elektroden,

die den elektrischen Puls
meiner Muskeln messen.

Das wird dem bionischen Bein mitgeteilt.

Wenn ich also daran denke,
mein Phantombein zu bewegen,

verfolgt der Roboter
diese Bewegungswünsche.

Dieses Diagramm zeigt das Prinzip,
wie das bionische Bein kontrolliert wird.

Wir modellieren also
das fehlende biologische Bein,

und wir entdeckten,
welche Reflexe auftraten,

wie die Reflexe des Rückenmarks
die Muskeln steuern.

Diese Fähigkeit ist eingebettet
in den Chips des bionischen Beins.

Was wir also getan haben, ist,
dass wir die Empfindlichkeit des Reflexes,

des modellierten Wirbelsäulenreflexes,
mit dem neuralen Signal modulieren.

Wenn ich also die Muskeln
in meinem Stumpf entspanne,

bekomme ich sehr wenig
Drehmoment und Kraft,

aber je mehr ich meine Muskeln anstrenge,
desto mehr Drehmoment bekomme ich,

und ich kann sogar rennen.

Das war die erste Demonstration
eines laufenden Gangs

unter neuronalem Kommando.
Fühlt sich großartig an.

(Beifall)

Wir wollen einen Schritt weiter gehen.

Wir wollen die Schleife

zwischen dem menschlichen
und dem bionischen Bein schließen.

Wir machen Experimente,

wo wir durchtrennte Nerven durch Kanäle

oder Mikrokanal-Arrays wachsen lassen.

Auf der anderen Seite des Kanals

verbindet sich der Nerv mit Zellen,

Hautzellen und Muskelzellen.

In den Motorik-Kanälen spüren wir,
wie sich die Person bewegen möchte.

Das kann drahtlos an
das bionische Bein gesendet werden.

Dann können [sensorische Informationen]
über die bionischen Gliedmaßen

zu Stimulationen in benachbarten
Kanälen umgewandelt werden,

den sensorischen Kanälen.

Wenn das vollständig entwickelt
und für den Einsatz am Menschen reif ist,

haben Personen wie ich
synthetische Gliedmaßen,

die sich nicht nur
wie Fleisch und Knochen bewegen,

sondern sich tatsächlich
wie Fleisch und Knochen anfühlen.

Dieses Video zeigt Lisa Mallette,

kurz nachdem sie mit zwei
bionischen Beinen ausgestattet wurde.

Die Bionik macht einen großen Unterschied
im Leben der Menschen.

(Video) Lisa Mallette: Oh mein Gott.

LM: Oh Gott, ich kann es nicht glauben!

(Video) (Gelächter)

LM: Es ist, als hätte ich
ein richtiges Bein!

Frau: Jetzt fang nicht an zu rennen.

Mann: Jetzt dreh dich um
und mach dasselbe beim Hochlaufen,

aber geh auf die Ferse bis zu den Zehen,
als würdest du auf ebenem Boden gehen.

Versuche, den Hügel hinauf zu gehen.

LM: Oh mein Gott.

Mann: Drückt es dich hoch?

LM: Ja! Ich bin nicht einmal --
ich kann es nicht einmal beschreiben.

Mann: Es drückt dich hoch.

Hugh Herr: Nächste Woche
besuche ich das Zentrum --

Vielen Dank. Vielen Dank.

(Beifall)

Vielen Dank.

Nächste Woche besuche ich das Zentrum
für Medicare- und Medicaid-Dienste,

und ich werde versuchen,
CMS zu überzeugen,

angemessene Codes und Preise zu gewähren,

damit diese Technologie den Patienten
zur Verfügung gestellt werden kann,

die sie brauchen.

Vielen Dank.

(Beifall)

Es ist kaum bekannt, aber mehr als
die Hälfte der Weltbevölkerung leidet

an Formen von kognitiven, emotionalen,
sensorischen oder motorischen Defekten,

und aufgrund schlechter Technologie
führen Defekte zu oft zu Behinderung

und einer schlechteren Lebensqualität.

Ein Minimum an physiologischen Funktionen
sollte Teil unserer Menschenrechte sein.

Jede Person sollte das Recht haben,
ein Leben ohne Behinderung zu führen,

wenn sie sich dafür entscheidet --

das Recht, ohne
schwere Depression zu leben,

das Recht, eine geliebte Person zu sehen,
im Falle von Sehbehinderten,

oder das Recht zu gehen oder zu tanzen,

im Falle von Lähmung oder Amputation.

Als Gesellschaft können wir
diese Menschenrechte erreichen,

wenn wir die Idee akzeptieren,
dass Menschen nicht behindert sind.

Eine Person kann nie kaputt sein.

Unsere gebaute Umwelt,
unsere Technologien,

sind kaputt und behindert.

Wir als Menschen müssen
unsere Grenzen nicht hinnehmen,

sondern können Behinderung
durch Technologie überwinden.

Durch massive Fortschritte in der Bionik
werden wir in diesem Jahrhundert

die technologischen Grundlagen für
ein besseres menschliches Leben schaffen,

und wir werden die Behinderung beenden.

Ich möchte mit einer weiteren Geschichte
enden, einer schönen Geschichte.

Die Geschichte von Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne verlor ihr linkes Bein
beim Bostoner Terroranschlag.

Ich traf Adrianne, wie dieses Foto zeigt,
im Spaulding Rehabilitation Hospital.

Adrianne ist eine Tänzerin,
eine Turniertänzerin.

Adrianne atmet und lebt Tanz.

Es ist ihr Ausdruck und ihre Kunstform.

Als sie im Bostoner Terroranschlag
ihr Bein verloren hatte,

wollte sie natürlich
auf die Tanzfläche zurückkehren.

Nachdem ich sie traf
und in meinem Auto nach Hause fuhr,

dachte ich mir: Ich bin MIT-Professor.
Ich habe Ressourcen.

Bauen wir ihr ein bionisches Bein,

das ihr ermöglicht,
in die Welt des Tanzes zurückzukehren.

Ich holte MIT-Wissenschaftler
mit Erfahrung in Prothetik,

Robotik, maschinellem Lernen
und Biomechanik

und in einer 200-tägigen Forschungszeit
studierten wir Tanz.

Wir holten Tänzer mit gesunden Beinen,

und studierten, wie sie sich bewegen,

welche Kräfte sie
auf der Tanzfläche anwenden.

Wir nahmen diese Daten

und erarbeiteten
die Prinzipien des Tanzes,

reflexive Tanzfähigkeit,

und wir haben diese Intelligenz
in die bionische Prothese eingebettet.

Bionik geht nicht nur darum,
Menschen stärker und schneller zu machen.

Unser Ausdruck, unsere Menschlichkeit
kann in Elektromechanik eingebaut werden.

Es waren 3,5 Sekunden zwischen den
Explosionen im Bostoner Terroranschlag.

In 3,5 Sekunden nahmen die Verbrecher
und Feiglinge Adrianne von der Tanzfläche.

In 200 Tagen haben wir sie zurückgestellt.

Wir lassen uns durch Gewalttaten
nicht einschüchtern, in die Knie zwingen,

erniedrigen, erobern oder stoppen.

(Beifall)

Meine Damen und Herren, erlauben Sie mir,
Ihnen Adrianne Haslet-Davis vorzustellen,

im ersten Auftritt seit dem Anschlag.

Sie tanzt mit Christian Lightner.

(Beifall)

(Musik: "Ring My Bell"
gespielt von Enrique Iglesias)

(Beifall)

Meine Damen und Herren,
Mitglieder des Forscherteams:

Elliott Rouse

und Nathan Villagaray-Carski.

Elliott und Nathan.

(Beifall)