Nowoczesna bionika pozwalająca biegać, wspinać się i tańczyć

Hugh Herr tworzy bioniczne kończyny nowej generacji, robotyczne protezy inspirowane projektami występującymi w przyrodzie. Herr stracił obie nogi wskutek wypadku podczas wspinaczki 30 lat temu. Dziś, jako szef grupy biomechatroniki w MIT Media Lab, w swoim zarazem fachowym i osobistym wystąpieniu pokazuje niezwykłą technologię. Towarzyszy mu tancerka towarzyska Adrianne Haslet-Davis, która powróciła do tańca i występuje po raz pierwszy na scenie prelekcji TED po tym, jak straciła lewą nogę w zamachu terrorystycznym w Bostonie w 2013 roku.

Przyglądając się dokładnie przyrodzie

poprzez szkło powiększające nauki,

projektanci uzyskują wiedzę na temat
reguł, procesów oraz materiałów,

które stanowią podstawę
metodologii projektowania.

Od sztucznych konstrukcji

przypominających materiał biologiczny

po metody obliczeniowe
naśladujące procesy nerwowe,

natura inspiruje projektowanie.

Ale projektowanie
również wpływa na przyrodę.

W medycynie regeneracyjnej,
genetyce oraz biologii syntetycznej

projektanci tworzą nowe technologie

nieprzewidziane czy też
niespotykane w naturze.

Bionika zgłębia wzajemne oddziaływanie

pomiędzy biologią a projektowaniem.

Jak widzicie, mam bioniczne nogi.

Dziś opowiem historie o ludziach
i ich integracji z bioniką,

o tym jak elementy elektromechaniczne
przymocowane do ciała

lub w nie wszczepione

zaczynają wypełniać lukę

pomiędzy niepełnosprawnością
a sprawnością,

pomiędzy ludzkimi ograniczeniami
a potencjałem.

Bionika zdefiniowała moją fizyczność.

W 1982 amputowano mi obie nogi

z powodu odmrożenia,

jakiego doznałem w czasie wspinaczki.

Nie uważałem wtedy,

że moje ciało jest ułomne.

Doszedłem do wniosku, że człowiek

nigdy nie jest ułomny.

To technologia jest ułomna.

Technologia jest niewystarczająca.

Ta prosta, lecz głęboka myśl

była wyzwaniem rzuconym
w stronę zaawansowanej technologii,

aby zlikwidować moją niesprawność,

a także niesprawność innych.

Zacząłem od opracowania
specjalnych kończyn,

które pozwoliły mi powrócić
do wspinaczek górskich i lodowych.

Szybko zdałem sobie sprawę,
że sztuczna część mojego ciała

jest plastyczna, może przyjąć każdą postać

i pełnić różne funkcje.

Jest niezapisaną tablicą,
dzięki której można tworzyć

struktury sięgające
poza biologiczne możliwości.

Mogłem regulować swój wzrost,

mogłem mierzyć półtora metra
lub być tak wysoki jak chciałem.

(Śmiech)

Kiedy czułem się nieswojo, niepewnie,

podkręcałem swój wzrost.

Natomiast gdy czułem się pewnie,
zmniejszałem swój wzrost,

żeby dać szansę konkurencji.

(Śmiech) (Brawa)

Wąskie stopy pozwoliły mi na wspinaczkę
po stromych szczelinach skalnych,

w które ludzka stopa
nie mogłaby się wcisnąć.

Kolczaste stopy pozwoliły na wspinaczkę

po pionowych ścianach z lodu

bez uczucia zmęczenia mięśni nóg.

Dzięki wynalazkom technologicznym

wróciłem do sportu silniejszy i lepszy.

Technologia wyeliminowała
moją niesprawność

i dała nową możliwość
uprawiania wspinaczki.

Kiedyś wyobrażałem sobie przyszłość
z technologią tak zaawansowaną,

że mogłaby wyeliminować kalectwo.

Świat, w którym implanty neuronowe

pozwoliłyby osobom niedowidzącym widzieć.

Gdzie sparaliżowani mogliby chodzić

dzięki sztucznym egzoszkieletom.

Niestety, z powodu
technologicznych niedoskonałości,

niepełnosprawność jest powszechna.

Ten człowiek nie ma trzech kończyn.

Dzięki obecnej technologii
nie musi używać wózka,

ale należy bardziej się starać
w dziedzinie bioniki,

aby pewnego dnia zapewnić
pełną rehabilitację

osobom z takimi uszkodzeniami ciała.

W Media Lab na Uniwersytecie MIT

założyliśmy centrum bioniki ekstremalnej.

Jego misją jest zmobilizowanie
nauk podstawowych

oraz możliwości technologicznych,

które umożliwią
biomechatroniczne i regeneracyjne

leczenie ludzi na wielu płaszczyznach

niesprawności mózgu i ciała.

Opowiem dziś o tym,
jak funkcjonują moje nogi,

jako przykład tego,
czym zajmuje się nasze centrum.

Ogoliłem wczoraj dokładnie nogi,

bo wiedziałem, że będę je dziś pokazywał.

Bionika wymaga utworzenia
wyjątkowych połączeń.

W moich bionicznych nogach
są trzy takie połączenia.

Mechaniczny - to w jaki sposób
są one przyczepione do ciała;

dynamiczny - jak poruszają się
imitując skórę i kości;

i elektryczny - jak przebiega
komunikacja z systemem nerwowym.

Zacznę od połączenia mechanicznego.

W kwestii projektowania nadal nie wiemy,

jak mechanicznie połączyć
urządzenie z ciałem.

To dla mnie niezwykłe,
że w obecnym świecie

jedna z najstarszych technologii
w ludzkiej historii - but,

nadal powoduje u nas pęcherze.

Jak to możliwe?

Nie mamy pojęcia jak połączyć
rzeczy z naszym ciałem.

To niezwykle poetycki projekt

profesor Neri Oxman z MIT Media Lab,

pokazujący przestrzennie zmieniającą się
impedancję egzoszkieletu

ukazaną jako zmiana kolorów

na tym drukowanym modelu 3D.

Wyobraźcie sobie przyszłość z ubraniami

sztywnymi lub miękkimi
tam gdzie trzeba i kiedy trzeba,

zapewniając optymalne oparcie
i elastyczność

bez uczucia dyskomfortu.

Moje bioniczne nogi są połączone z ciałem

dzięki syntetycznej skórze

o zmiennej sztywności,

która ma odzwierciedlać biomechanikę
leżącej pod nią tkanki.

Aby to osiągnąć
stworzyliśmy model matematyczny

mojej biologicznej nogi.

W tym celu użyliśmy
obrazowania, takiego jak MRI,

aby zajrzeć w głąb mojego ciała

i zrozumieć geometrię
i położenie poszczególnych tkanek.

Użyliśmy też automatów.

Oto okrąg 14 siłowników

umieszczonych dookoła
biologicznej kończyny.

Siłowniki dotykają powierzchni kończyny,

mierzą jej kształt bez obciążenia,

a następnie naciskają na tkankę,

aby zmierzyć jej odkształcenie

w każdym punkcie anatomicznym.

Połączyliśmy dane uzyskane z obu urządzeń,

aby stworzyć matematyczny opis
biologicznej kończyny, widoczny po lewej.

Widać grupę punktów i węzłów,

każdy węzeł ma kolor
reprezentujący odkształcenie tkanki.

Po wykonaniu transformacji matematycznej

otrzymaliśmy projekt
sztucznej skóry, pokazanej po prawej.

Ustaliliśmy, że najbardziej
optymalnie byłoby

stworzyć miękką skórę tam,
gdzie ciało jest sztywne

i sztywną skórę tam,
gdzie ciało jest miękkie.

To odzwierciedlanie
występuje na całej powierzchni tkanki.

W ten sposób
stworzyliśmy bioniczne nogi,

które są najwygodniejszymi,
jakie kiedykolwiek używałem.

Z pewnością w przyszłości

nasze ubrania, buty, szelki

czy protezy nie będą projektowane

i tworzone przy użyciu
strategii rzemieślniczych,

raczej jako modele oparte o zebrane dane.

W przyszłości nasze buty

nie będą już powodować pęcherzy.

Potrafimy również umieścić czujniki

i inteligentne materiały
w sztucznej skórze.

Oto materiał stworzony przez kalifornijski
ośrodek naukowy SRI International.

Oddziaływanie elektrostatyczne
zmienia jego sztywność.

Przy zerowym napięciu
materiał jest miękki.

Giętki jak papier.

Wciskamy przycisk, dostarczamy napięcie,

i materiał staje się sztywny jak deska.

Umieściliśmy ten materiał
w sztucznej skórze,

łączącej bioniczną kończynę
z moim ciałem.

Kiedy chodzę,
nie ma przepływu napięcia.

Połączenie jest miękkie i delikatne.

Wciskam przycisk, pojawia się
napięcie i materiał sztywnieje,

dzięki czemu moja kończyna
ma lepszą sterowność.

Budujemy również egzoszkielety.

Ten egzoszkielet staje się
sztywny lub miękki

na odpowiednich etapach biegu,

by chronić biologiczne stawy

przed wstrząsami i zwyrodnieniami.

W przyszłości wszyscy będziemy
nosić egzoszkielety

podczas codziennych czynności
takich jak bieganie.

Natępnie połączenie dynamiczne.

W jaki sposób moje bioniczne nogi
ruszają się, jakby były prawdziwe?

W laboratorium MIT badamy,

jak ludzie o normalnej fizjologii
stoją, chodzą i biegają.

Jak działają mięśnie

i w jaki sposób są kontrolowane
przez rdzeń kręgowy?

Ta fundamentalna wiedza
inspiruje nas do tworzenia.

Tworzymy bioniczne kostki,
kolana i biodra.

Budujemy części ciała od podstaw.

Bioniczne nogi, które mam na sobie
nazywają się BiOM.

Zostały dopasowane do
niemal 1000 pacjentów,

z których 400 to ranni żołnierze USA.

Jak działają?

Podczas pracy pięty

zarządzany przez komputer system,
kontroluje sztywność,

aby złagodzić wstrząs kończyny
uderzającej o podłoże.

W połowie kroku
bioniczna kończyna generuje

duży moment siły i dostarcza energii

do uniesienia osoby,
umożliwiając chodzenie,

w podobny sposób, w jaki działają
mięśnie w okolicy łydki.

Pod względem klinicznym bioniczny napęd
jest bardzo ważny dla pacjentów.

Po lewej widać urządzenie bioniczne
noszone przez kobietę.

Po prawej pasywne kończyny
noszone przez tą samą kobietę,

które nie naśladują pracy mięśni

i nie pozwalają wykonać czegoś,

co każdy powinien móc zrobić,

wejść i zejść po schodach w domu.

Bionika pozwala również wykonywać
niezwykłe wyczyny atletyczne.

Oto mężczyzna biegający
po kamienistej ścieżce.

To Steve Martin, nie aktor komediowy,

który stracił swoje kończyny
po wybuchu bomby w Afganistanie.

Tworzymy również
konstrukcje egzoszkieletowe,

używając tych samych zasad,

które dotyczą biologicznych kończyn.

Ten mężczyzna nie ma żadnych
problemów z nogami,

żadnej niepełnosprawności.

Ma zdrowe ciało.

Egzoszkielet zapewnia
momenty obrotowe i siły niczym mięśnie,

więc jego własne mięśnie
nie muszą tego robić.

To pierwszy egzoszkielet w historii,

który usprawnia chód człowieka.

Znacznie redukuje koszt metaboliczny.

To wzmocnienie jest tak intensywne,

że kiedy zdrowy człowiek
nosi to urządzenie przez 40 minut,

a potem je zdejmuje, jego biologiczne nogi

zdają się śmiesznie ciężkie i niezdarne.

Wkraczamy w erę, w której urządzenia
dołączone do naszych ciał

uczynią nas silniejszymi,
szybszymi i bardziej sprawnymi.

Dalej połączenie elektryczne.

W jaki sposób moje nogi
komunikują się z układem nerwowym?

Na kikutach znajdują się elektrody,

które mierzą impulsy elektryczne mięśni.

Te dane są przesyłane do bionicznej nogi.

Kiedy myślę o poruszaniu
moją fantomową kończyną,

automat wykrywa ten zamiar.

Ten schemat przedstawia podstawy
kontrolowania bionicznej nogi.

Modelujemy brakującą kończynę,

zbadaliśmy też występujące odruchy,

jak odruchy rdzenia kręgowego
kontrolują mięśnie

i wprowadziliśmy tę zdolność
do chipów bionicznej nogi.

Następnie dostosowujemy czułość odruchu,

modelowany odruch rdzenia,
do impulsu nerwowego.

Dlatego kiedy rozluźniam
mięśnie w kikucie nogi,

moment siły i moc są niewielkie,

ale im bardziej napinam mięśnie,
tym więcej siły otrzymuję,

mogę nawet biegać.

To była pierwsza demonstracja

biegu sterowanego neuronami.

Wspaniałe uczucie.

(Brawa)

Chcemy pójść o krok dalej.

Chcemy zamknąć przestrzeń

pomiędzy ludzką i bioniczną kończyną.

Eksperymentujemy z hodowaniem nerwów

podzielonych na kanały lub mikrokanały.

Po drugiej stronie kanału

nerw łączy się z komórkami,

komórkami skóry i mięśni.

Dzięki kanałom motorycznym możemy wyczuć,

jak osoba chce się poruszyć.

Tę informację można przesłać
bezprzewodowo do kończyny,

a czujniki na bionicznej kończynie

mogą pobudzać
przylegające do nich kanały sensoryczne.

Gdy ta technologia będzie
w pełni rozwinięta i dostępna dla ludzi,

osoby takie jak ja będą miały nie tylko

sztuczne kończyny, które poruszają się,
jakby były prawdziwe,

ale również kończyny,
które odczuwa się, jakby był prawdziwe.

To nagranie pokazuje Lisę Mallette

zaraz po tym, jak przymierzyła
dwie bioniczne nogi.

Bionika potrafi
znacząco wpłynąć na życie ludzi.

(Nagranie) Lisa Mallette: O mój Boże.

Mój Boże! Nie mogę w to uwierzyć!

Jakbym miała prawdziwą nogę!

Nie biegaj.

Mężczyzna: Obróć się

i zrób to samo chodząc.

Podejdź, z pięty na palce,

jakbyś szła po płaskim podłożu.

Spróbuj podejść pod wzniesienie.

LM: O mój Boże.

Mężczyzna: Podnoszą cię?

LM: Tak! Ja... nie potrafię tego opisać.

Mężczyzna: popychają cię do góry.

Hugh Herr: W następnym tygodniu
odwiedzam ośrodek...

(Brawa) Dziękuję.

W następnym tygodniu odwiedzam

ośrodek Center for Medicare
and Medicaid Services

i postaram się ich przekonać,

żeby przyznali odpowiedni kod i wycenę,

by ta technologia stała się dostępna

dla pacjentów, którzy jej potrzebują.

Dziękuję. (Brawa)

Nie dostrzega się,
że ponad połowa światowej populacji

cierpi z powodu różnego rodzaju

poznawczej, emocjonalnej,
sensorycznej czy motorycznej dolegliwości;

a z powodu niewystarczającej technologii

zbyt często kończy się to
kalectwem i pogorszeniem jakości życia.

Podstawowe poziomy
fizjologicznego funkcjonowania

powinny być częścią praw człowieka.

Każda osoba powinna mieć prawo

do życia bez niesprawności,
jeżeli tak zdecyduje.

Prawo do życia bez ciężkiej depresji;

prawo, aby widzieć ukochanych,
będąc niedowidzącym.

Czy też prawo do chodzenia lub tańczenia,

mając sparaliżowane lub amputowane nogi.

Jako społeczeństwo możemy
osiągnąć te prawa,

jeżeli zaakceptujemy postulat,

że ludzie nie są niesprawni.

Człowiek nigdy nie może być ułomny.

To środowisko i technologie,
które stworzyliśmy

są ułomne i niesprawne.

My, ludzie, musimy zaakceptować
nasze ograniczenia,

ale możemy górować nad niesprawnością

dzięki innowacyjnym technologiom.

Właśnie dzięki postępowi
w dziedzinie bioniki w tym stuleciu,

stworzymy technologiczne fundamenty
doskonalszego ludzkiego poznania

i wyeliminujemy niesprawność.

Chciałbym zakończyć
jeszcze jedną historią,

przepiękną historią,

historią Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne straciła lewą nogę

w ataku terrorystycznym w Bostonie.

Zdjęcie zrobiono na spotkaniu w
Spaulding Rehabilitation Hospital.

Adrianne jest tancerką.

Adrianne oddycha i żyje tańcem.

To jej forma ekspresji. Jej forma sztuki.

Oczywiście, kiedy straciła kończynę

w bostońskim ataku terrorystycznym,

chciała wrócić na parkiet.

Po tym, jak ją spotkałem,
wracałem do domu samochodem

i pomyślałem - jestem profesorem MIT,

mam środki, zbudujmy jej bioniczną nogę,

aby mogła powrócić do jej świata tańca.

Sprowadziłem do MIT
naukowców specjalizujących się

w dziedzinach protetyki, robotyki,
systemów uczących się i biomechaniki.

W czasie ponad 200 dni badań
studiowaliśmy taniec.

Sprowadziliśmy tancerzy
z biologicznymi kończynami

i przyglądaliśmy się, jak się poruszają,

jakimi siłami działają na parkiet.

Zebraliśmy te dane
i ustaliliśmy podstawowe reguły tańca.

Odruchy występujące w tańcu.

Wprowadziliśmy te informacje
do bionicznej kończyny.

Bionika nie tylko sprawia,
że ludzie są silniejsi i szybsi.

Nasza ekspresja, ludzka natura

również może zostać wprowadzona
do elektromechaniki.

Było trzy i pół sekundy

pomiędzy wybuchami bomb
w ataku terrorystycznym w Bostonie.

W trzy i pół sekundy zbrodniarze i tchórze

odebrali Adrianne taniec.

Przywróciliśmy go po 200 dniach.

Nie damy się zastraszać, upokarzać,

dyskredytować, podbijać,
powstrzymać przez akty przemocy.

(Brawa)

Panie i panowie, przedstawiam
Adrianne Haslet-Davis

w pierwszym występie od czasu ataku.

Zatańczy z Christianem Lightnerem.

(Brawa)

(Muzyka: "Ring My Bell"
w wykonaniu Enrique Iglesiasa)

(Brawa)

Panie i panowie,
członkowie zespołu badawczego,

Elliott Rouse i Nathan Villagaray-Carski.

Elliott i Nathan.

(Brawa)