La nuova bionica che ci permette di correre, scalare e ballare

Hugh Herr sta costruendo la prossima generazione di arti bionici, protesi robotiche ispirate dal design della natura. Herr ha perso entrambe le gambe in un incidente alpinistico 30 anni fa; ora, come leader del gruppo di biomecatronica dell'MIT Media Lab, mostra la sua incredibile tecnologia in un intervento sia tecnico che profondamente personale, con l'aiuto della ballerina da sala Adrianne Haslet-Davis che ha perso la gamba sinistra nell'attentato terroristico alla maratona di Boston, e si esibisce per la prima volta sul palco di TED.

Osservando profondamente la natura

attraverso la lente di ingrandimento della scienza,

i designer estraggono principi,

processi e materiali

che formano le basi
della metodologia del design,

da concetti sintetici che assomigliano

a materiali biologici

a metodi di calcolo che
simulano processi neurali,

la natura guida il design.

Il design a sua volta guida la natura.

Nel regno della genetica,
della medicina rigenerativa

e della biologia sintetica,

i designer stanno sviluppando tecnologie

non previste o anticipate dalla natura.

La bionica esplora l'interazione

tra biologia e design.

Come potete vedere,
le mia gambe sono bioniche.

Oggi vi racconterò storie

di integrazione tra uomo e bionica,

come componenti elettromeccanici
collegati al corpo

e impiantati nel corpo

stanno cominciando
a colmare il divario

tra disabilità e abilità,

tra limiti umani

e potenziale umano.

La bionica ha definito la mia fisicità.

Nel 1982, mi hanno amputato
entrambe le gambe

a causa di un danno
da congelamento dei tessuti

accaduto durante un incidente alpinistico.

All'epoca, non vedevo il mio corpo

come rotto.

Ragionavo che un essere umano

non può mai rompersi.

La tecnologia è rotta.

La tecnologia è inadeguata.

Questa semplice ma potente idea

è stata una chiamata alle armi

per migliorare la tecnologia

per l'eliminazione della mia disabilità

e di conseguenza la disabilità degli altri.

Iniziai con sviluppare arti speciali

che mi consentirono di ritornare

al mondo verticale della scalata
su roccia e su ghiaccio.

Mi resi conto velocemente
che la parte artificiale del mio corpo

era malleabile,

in grado di prendere qualunque forma,
qualunque funzione,

una tabula rasa attraverso cui creare

strutture che potessero estendere

le funzionalità biologiche.

Resi regolabile la mia altezza.

Potevo essere appena 1,50 m
o alto tanto quanto volevo.

(Risate)

Quindi, quando mi sentivo giù,

insicuro, mi aumentavo l'altezza,

invece quando mi sentivo
sicuro e tranquillo,

mi abbassavo un po' l'altezza

tanto per dare una chance
alla concorrenza.

(Risate)
(Applausi)

Piedi stretti e incuneati
mi permettevano di scalare

ripide fenditure rocciose

in cui il piede umano
non poteva penetrare,

e piedi chiodati
mi permettevano di scalare

muri di ghiaccio verticali

senza mai affaticare
i muscoli delle gambe.

Attraverso l'innovazione tecnologica,

sono tornato al mio sport,
migliore e più forte.

La tecnologia aveva eliminato la mia disabilità

e mi aveva concesso
nuove abilità di scalatore.

Da giovane, mi immaginavo un futuro

in cui la tecnologia avanzata

avrebbe liberato il mondo dalle disabilità,

un mondo in cui gli impianti neurali
avrebbero permesso

ai non vedenti di vedere,

un mondo in cui i disabili
avrebbero potuto camminare

attraverso degli esoscheletri.

Purtroppo, a causa di carenze tecnologiche

la disabilità nel mondo è dilagante.

A quest'uomo mancano tre arti.

A testimonianza dell'attuale tecnologia,

non è in sedia a rotelle,

ma dobbiamo darci da fare in bionica

per permettere un giorno
la totale riabilitazione

di una persona
con questo livello di lesioni.

Al MIT Media Lab abbiamo istituito

un centro per la bionica estrema.

La missione del centro

è di sviluppare scienze di base

e capacità tecnologiche
che permetteranno

la biomeccatronica e la riparazione
rigenerativa di essere umani

in un ampio spettro

di disabilità del corpo e della mente.

Oggi vi racconterò
come funzionano le mie gambe,

come operano,

come tipico esempio per questo centro.

Ieri sera mi sono assicurato
di radermi le gambe,

perché sapevo che le avrei mostrate.

La bionica comporta l'ingegnerizzazione
di interfacce estreme.

Ci sono tre interfacce estreme
nei miei arti bionici:

meccanica, come i miei arti sono attaccati

al mio corpo biologico;

dinamica, come si muovono
come carne e ossa;

e elettrica, come comunicano

con il mio sistema nervoso.

Comincerò con l'interfaccia meccanica.

Nell'area del design, ancora non capiamo

come collegare meccanicamente
apparecchi al corpo.

Trovo straordinario che al giorno d'oggi,

una delle tecnologie più antiche e mature

della storia umana, la scarpa,

ancora ci faccia venire le vesciche.

Com'è possibile?

Non abbiamo idea di come
attaccare cose al nostro corpo.

Questo è il design squisitamente lirico

della Professoressa Neri Oxman
al MIT Media Lab,

che rappresenta impedenze esoscheletriche
spazialmente variabili

mostrate qui per variazione di colore

in questo modello stampato in 3D.

Immaginate un futuro in cui i vestiti

sono rigidi e morbidi

a seconda della necessità,
per un supporto e una flessibilità ottimale,

senza mai provocare alcun disagio.

I miei arti bionici sono collegati
al mio corpo biologico

attraverso pelle sintetica

con variazioni di rigidità

che rispecchiano la biomeccanica
dei miei tessuti sottostanti.

Per ottenere questo rispecchiamento

abbiamo prima sviluppato
un modello matematico

del mio arto biologico.

A tale scopo, abbiamo usato tecniche
di imaging come la risonanza magnetica

per guardare dentro il mio corpo

e scoprire le geometrie e le posizioni

di vari tessuti.

Abbiamo anche preso strumenti robotici.

Questo è un attuatore a 14 motori

che gira attorno all'arto biologico.

L'attuatore si avvicina,
trova la superficie dell'arto,

ne misura la forma in assenza di carico

e poi spinge sui tessuti

per misurare la cedevolezza dei tessuti

in ogni punto anatomico.

Queste immagini e questi
dati robotici vengono combinati

per costruire una descrizione matematica

del mio arto biologico, che vedete a sinistra.

Vedete una serie di punti, o nodi.

Ad ogni nodo, un colore rappresenta
la cedevolezza del tessuto.

Facciamo poi una trasformazione matematica

per progettare la pelle sintetica

che vedete a sinistra

e abbiamo scoperto
che l'ottimalità si ottiene

con una pelle sintetica morbida
dove il corpo è rigido,

ed una pelle sintetica rigida
dove il corpo è morbido,

e questo rispecchiamento si realizza

in tutti i gradi di cedevolezza dei tessuti.

Con questa struttura

abbiamo prodotto arti bionici

che sono i più comodi
che io abbia mai portato.

Chiaramente in futuro,

i nostri vestiti, le nostre scarpe,
i nostri tutori ortopedici,

le nostre protesi
non saranno più progettate

e prodotte usando strategie artigianali,

ma strutture quantitative
basate sui dati.

In quel futuro, le scarpe

non ci daranno più vesciche.

Stiamo anche incorporando
materiali sensibili e intelligenti

nella pelle sintetica.

Questo è un materiale

sviluppato da SRI International,
in California.

Sotto effetto elettrostatico,
cambia rigidità.

Quindi con zero voltaggio,
il materiale è cedevole.

È floscio come la carta.

Poi si schiaccia il pulsante,
viene applicato un voltaggio

e diventa rigido come un asse.

Incorporiamo questo materiale
nella pelle sintetica

che collega il mio arto bionico
al mio corpo biologico.

Quando cammino qui,

non c'è voltaggio.

L'interfaccia è morbida e cedevole.

Si preme il pulsante,
viene applicato il voltaggio,

e si indurisce,

dandomi una maggiore manovrabilità

dell'arto bionico.

Costruiamo anche esoscheletri.

Questo esoscheletro
diventa rigido e morbido

proprio nelle aree giuste
del ciclo della corsa

per proteggere le articolazioni biologiche

da forti impatti e degradazione.

In futuro indosseremo tutti
degli esoscheletri

durante attività comuni come la corsa.

Poi, l'interfaccia dinamica.

Come fanno i miei arti bionici
a muoversi come carne e ossa?

Nel mio laboratorio al MIT,
studiamo come gli esseri umani

fisiologicamente normali stanno eretti,
camminano e corrono.

Cosa fanno i muscoli,

e come vengono controllati
dalla spina dorsale?

Questa scienza di base motiva
quello che costruiamo.

Costruiamo caviglie, ginocchia
e anche bioniche.

Costruiamo parti del corpo da zero.

Gli arti bionici che indosso
sono chiamati BiOMs.

Quasi 1000 pazienti li hanno ricevuti,

400 dei quali erano soldati americani
feriti di guerra.

Come funziona? Al contatto tallone,
sotto controllo del computer,

il sistema controlla la rigidità

per attenuare l'impatto dell'arto
che colpisce il suolo.

Poi, a pieno appoggio,
l'arto bionico produce

forze e momenti elevati
per sollevare la persona

e consentire il passo,

paragonabili a come funzionano i muscoli
nella zona del polpaccio.

La propulsione bionica è clinicamente

molto importante per i pazienti.

A sinistra vedete il dispositivo bionico

portato da una donna --

a destra un dispositivo passivo
portato dalla stessa donna

che non riesce ad imitare
le normali funzioni muscolari --

permettendole di fare una cosa

che tutti dovrebbero
essere in grado di fare,

salire e scendere le scale di casa.

La bionica consente anche
straordinarie imprese atletiche.

Ecco un uomo che corre
su per un sentiero roccioso.

Questo è Steve Martin, non l'attore,

che ha perso le gambe
nello scoppio di una bomba in Afghanistan.

Stiamo anche costruendo
strutture esoscheletriche

utilizzando gli stessi principi

che avvolgono un arto biologico.

Quest'uomo non ha

nessun problema alle gambe,
nessuna disabilità.

È fisiologicamente normale,

quindi questi esoscheletri applicano

forze e momenti meccanici
simili a quelle dei muscoli

in modo che i suoi propri muscoli
non debbano applicare

quelle forze e quei momenti.

Questo è il primo esoscheletro della storia

che effettivamente accresce
l'andatura umana.

Riduce in maniera significativa
i costi metabolici.

Questo accrescimento è così significativo

che quando una persona sana e normale

indossa il dispositivo per 40 minuti

e poi se lo toglie,

le gambe biologiche

sembrano ridicolmente pesanti e goffe.

Stiamo entrando in un'era in cui

le macchine attaccate ai nostri corpi

ci renderanno più forti, più veloci

e più efficienti.

Passiamo all'interfaccia elettrica:

come comunicano i miei arti bionici

con il mio sistema nervoso?

Attraverso il mio arto residuo
ci sono elettrodi

che misurano gli impulsi elettrici
dei miei muscoli.

Questi vengono comunicati all'arto bionico,

così che quando penso
di muovere il mio arto fantasma,

il robot rileva questo desiderio di movimento.

Questo diagramma mostra in sostanza

come viene controllato l'arto bionico,

quindi modelliamo l'arto biologico mancante,

e abbiamo scoperto
che tipo di riflesso si verifica,

come i riflessi della spina dorsale

controllano i muscoli,

e quella capacità è incorporata

nei chip dell'arto bionico.

Successivamente abbiamo modulato

la sensibilità del riflesso,

il modello di riflesso spinale,

con il segnale neurale,

in modo che quando rilasso i muscoli
nel mio arto residuo,

ricevo pochissima forza e momento,

ma più attivo i muscoli,

più momento ricevo,

e posso anche correre.

E questa è stata la prima dimostrazione

di un'andatura di corsa
sotto controllo neurale.

È fantastico.

(Applausi)

Vogliamo fare un ulteriore passo in avanti.

In effetti, vogliamo chiudere il cerchio

tra l'arto umano e quello bionico esterno.

Stiamo facendo esperimenti
per far ricrescere

nervi troncati,

attraverso raggi a microchannel.

Dall'altro lato del canale,

il nervo si attacca alle cellule,

alle cellule cutanee e muscolari.

Nei canali motore possiamo sentire

come la persona desidera muoversi.

Questo può essere inoltrato
wireless all'arto bionico,

poi i sensori dell'arto bionico

possono essere convertiti in stimoli

in canali adiacenti, canali sensoriali.

Quando questo sarà completamente sviluppato

e idoneo all'uso umano,

persone come me non solo avranno

arti sintetici che si muovono
come carne e ossa,

ma che davvero vengono percepiti
come carne e ossa.

Questo video mostra Lisa Mallette

poco dopo l'installazione
di due arti bionici.

Certo, la bionica fa

una grande differenza
nella vita delle persone.

(Video) Lisa Mallette: Oh mio Dio.

Oh mio Dio, non ci posso credere.

È come avere una gamba vera.

Ora, non cominciare a correre.

Uomo: Ora girati,

e fai la stessa cosa camminando.

Cammina, passa dai talloni alle punte,

come se stessi camminando in piano.

Cerca di fare la salita.

LM: Oh mio Dio.

Uomo: Ti spinge in su?

LM: Sì! Non sto neanche -- è indescrivibile.

Uomo: Ti spinge in su senza problemi.

Hugh Herr: La settimana prossima
vado a visitare il centro --

(Applausi)
Grazie, grazie.

Grazie. La settimana prossima
vado a visitare

il Center for Medicare and Medicaid Services,

e cercherò di convincere il CMS

ad assegnare un sistema di codificazione
e fatturazione appropriato,

in modo che questa tecnologia
possa essere messa a disposizione

dei pazienti che ne hanno bisogno.

Grazie.
(Applausi)

Non è cosa molto nota, ma

più di metà della popolazione mondiale

soffre di una qualche forma di malattia

cognitiva, emotiva, sensoriale o motoria,

e a causa di una tecnologia carente,

troppo spesso, le malattie
risultano in disabilità

e una peggiore qualità di vita.

Livelli base di funzionamento fisiologico

dovrebbero far parte
dei diritti dell'uomo.

Tutti dovrebbero avere il diritto

di vivere una vita senza disabilità

se lo vogliono --

il diritto di vivere una vita
senza depressione grave,

il diritto di vedere una persona cara

nel caso di persone non vedenti,

o il diritto di camminare o ballare,

nel caso di paralisi

o amputazione.

Come società, possiamo realizzare
questi diritti umani

se accettiamo il principio

secondo il quale gli esseri
umani non sono disabili.

Una persona non può mai essere spezzata.

Il nostro ambiente costruito,
le nostre tecnologie,

sono rotte e disabili.

Noi non siamo obbligati
ad accettare i nostri limiti,

ma possiamo superare le disabilità

attraverso l'innovazione tecnologica.

Certo, attraverso progressi fondamentali

della bionica in questo secolo,

definiremo le basi tecnologiche

per un'esperienza umana migliore

e porremo fine alla disabilità.

Vorrei concludere con un'altra storia,

una bella storia,

la storia di Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne ha perso la gamba sinistra

nell'attacco terroristico di Boston.

Ho incontrato Adrianne quando
è stata scattata questa foto

al Spaulding Rehabilitation Hospital.

Adrianne è una ballerina da sala.

Adrianne respira e vive la danza.

È il suo mezzo di espressione.
È la sua forma d'arte.

Naturalmente, quando ha perso l'arto

nell'attacco terroristico di Boston,

voleva tornare sulla pista da ballo.

Dopo averla conosciuta
e tornando a casa in macchina,

ho pensato, sono un professore dell'MIT.

Ho delle risorse. Costruiamole un arto bionico

per permetterle di tornare
alla sua vita di ballerina.

Ho messo insieme scienziati dell'MIT

esperti in protesi, robotica,
apprendimento automatico

e biomeccanica,

e in 200 giorni di ricerca

abbiamo studiato danza.

Abbiamo fatto venire
ballerini con arti biologici,

e abbiamo studiato come si muovono,

che tipi di forza applicano
sulla pista da ballo,

abbiamo preso quei dati

e formulato i principi
fondamentali della danza,

una capacità riflessiva di danza,

e abbiamo incorporato quell'intelligenza

nell'arto bionico.

Bionica non significa solo

rendere le persone più forti e più veloci.

La nostra espressione, la nostra umanità

può essere incorporata
nell'elettromeccanica.

Sono passati 3,5 secondi

tra l'esplosione delle bombe

nell'attacco terroristico di Boston.

In 3,5 secondi, i criminali e codardi

hanno portato via Adrianne
dalla pista da ballo.

In 200 giorni, ce l'abbiamo rimessa.

Non ci faremo intimidire, buttare giù,

ridurre, conquistare o fermare

da atti di violenza.

(Applausi)

Signore e signori, vi presento

Adrianne Haslet-Davis,

la sua prima esibizione
dopo l'attacco.

Balla con Christian Lightner.

(Applausi)

(Musica: "Ring My Bell" interpretata da Enrique Iglesias)

(Applausi)

Signore e signori,

i membri del team di ricerca,

Elliott Rouse e Nathan Villagaray-Carski.

Elliott e Nathan.

(Applausi)