Ny bionik som gör det möjligt att springa, klättra och dansa

Hugh Herr bygger nästa generations bioniska kroppsdelar, robotproteser inspirerade av naturen. Han förlorade båda sina ben i en klättringsolycka för 30 år sedan. Nu är han chef för MIT Media Labs Biomekatroniska grupp. Han visar upp sin otroliga teknik i ett föredrag som är både högteknologiskt och väldigt personligt. Med sig på scenen har han Adrianne Haslet-Davis, som förlorade sitt vänstra ben i Boston Marathon-bombdådet 2013, och som här gör sitt första framträdande sedan dess.

Genom att titta på djupet i naturen,

genom vetenskapens förstoringsglas,

hittar designers principer,
processer och material

som blir grunden för designmetodik.

För allt från syntetiska föreningar
som liknar biologiskt material,

till algoritmer som emulerar
hjärncellers funktion,

är naturen en drivkraft för design.

Design är en drivkraft för naturen också.

Inom genetik, regenerativ medicin
och syntetisk biologi

skapar designers nya tekniker

som naturen inte kunnat förutse
eller förvänta sig.

Bionik utforskar samspelet
mellan biologi och design.

Som ni kan se är mina ben bioniska.

Idag kommer jag berätta historier
om bionisk integrering;

hur elektromekanik fäst på kroppen,
och hur implantat inuti kroppen

börjar överbrygga gapet
mellan handikapp och förmåga,

mellan mänsklig begränsning
och mänsklig potential.

Bionik har satt ramarna
för hur jag uppfattas fysiskt.

Båda mina ben amputerades 1982

på grund av vävnadsskador
orsakade av förfrysning,

som jag ådrog mig
under en bergsbestigningsolycka.

Jag tänkte inte på min kropp som trasig.

Jag tänkte att en människa
kan inte "gå sönder".

Tekniska prylar går sönder.

Tekniska prylar är bristfälliga.

Denna enkla men kraftfulla idé
blev ett stridsrop för mig

att göra tekniken mer avancerad

så att mitt eget handikapp
skulle kunna elimineras,

och i slutänden även andras handikapp.

Jag började med att utveckla speciella ben

för att kunna återvända

till den vertikala
bergs- och isklättringsvärlden.

Jag insåg snabbt att den konstgjorda delen
av min kropp är formbar -

den kan anta vilken form som helst,
vilken funktion som helst -

ett blankt papper på vilket
man kanske kan skapa strukturer

som skulle kunna komma ikapp
och förbi biologiska gränser.

Jag gjorde min längd justerbar.

Jag kunde vara bara 1,50
eller hur lång som helst.

(Skratt)

Så när jag kände mig nere, osäker,
hissade jag bara upp mig.

(Skratt)

Men när jag kände mig självsäker och god

hissade jag ner mig en aning
bara för att ge motståndarna en chans.

(Skratt)

(Applåder)

Smala fötter gjorde att jag kunde klättra
uppför branta klippor,

där den mänskliga foten inte får fäste,

och fötter med piggar gjorde det möjligt
att klättra uppför lodräta ismassor,

utan att ens bli trött i benen.

Tack vare teknisk utveckling,
kunde jag återgå till min sport,

både starkare och bättre.

Tekniken hade eliminerat mitt handikapp,

och givit mig större skicklighet.

Som ung föreställde jag mig en värld
med så avancerad teknik

att all världens handikapp kunde utrotas.

en värld där nervimplantat kunde
få dem med nedsatt syn att se.

En värld där de förlamade kunde gå,
med hjälp av exoskelett.

På grund av bristfällig teknik
är handikapp vanliga i världen.

Den här mannen saknar tre kroppsdelar.

Tack vare dagens teknik
klarar han sig utan rullstolen,

men vi måste jobba
ännu hårdare med bioniken,

för att, en dag,

kunna erbjuda fullständig rehabilitering
för dem med så här pass allvarliga skador.

Vid MIT Media Lab har vi grundat
Centrum för extrem bionik.

Centrets uppdrag går ut på
att utveckla grundläggande vetenskap

och göra så att tekniska prylar
klara av mer, så att biomekatronisk

och regenerativ reparation
av människor blir möjlig

för många hjärn- och kroppshandikapp.

Idag ska jag berätta hur min ben fungerar,
för att visa vad centret åstadkommit.

Jag kom ihåg att raka min ben i går kväll
eftersom jag skulle demonstrera dem idag.

(Skratt)

I bionik ingår att ta fram
extrema gränssnitt.

Det finns tre extrema gränssnitt
i mina biomekaniska ben:

mekaniskt - hur mina ben
sitter ihop med min biologiska kropp;

dynamiskt - hur de rör sig
som om de vore vanliga ben;

och elektriskt - hur de kommunicerar
med mitt nervsystem.

Jag börjar med det mekaniska gränssnittet.

Inom design har vi ännu inte förstått
hur man bäst sätter fast saker på kroppen.

För mig är det helt otroligt

att en av våra äldsta hjälpmedel, skon,

fortfarande ger oss skoskav.

Hur är det möjligt?

Vi vet inget om
hur man fäster saker på kroppen.

Här ser ni den oerhört vackra designen

framtagen av professor Neri Oxman
vid MIT Media Lab;

ett exoskelett med varierande elasticitet,

representerat med varierande färger
i den här 3D-modellen.

Tänk er en framtid där kläder
är omväxlande stela och mjuka

där man behöver det, när man behöver det,
för att få optimalt stöd och rörlighet,

utan att någonsin vara obekväma.

Mina biomekaniska ben sitter fast
på min biologiska kropp

med syntetiskt skinn
som varierar i styvhet,

genom att följa mina vävnaders rörelser.

För att åstadkomma följsamhet,

tar vi först fram en matematisk modell
av mitt biologiska ben.

För att kunna göra det, använder vi
avbildande verktyg, som magnetkameror,

för att titta inuti min kropp,
och se vävnaders form och var de sitter.

Vi använder även robotverktyg.

Här en cirkel med ställdon som man sätter
på den biologiska kroppsdelen.

Ställdonen åker in,
hittar ytan på kroppsdelen,

mäter formen när den är i vila

och sedan trycker de på vävnaden
för att mäta elasticiteten i varje punkt.

Vi kombinerar bilderna och mätdatat

och får en matematisk beskrivning
av mitt ben, som ni ser till vänster.

Ser ni punkterna där strecken möts?

Vid varje punkt finns en färg
som motsvarar vävnadselasticiteten.

Med hjälp av en matematisk transformation
designas motsvarande syntetiska skinn,

som ni ser till höger.

Vi har kommit fram till följande optimum:

där kroppen är hård
ska de syntetiska skinnet vara mjukt,

där kroppen är mjuk
är det syntetiska skinnet styvt,

och den här speglingen används
för alla vävnadsapplikationer.

Med detta ramverk har vi tagit fram
biomekaniska kroppsdelar

som är de mest bekväma jag använt.

I framtiden kommer våra kläder, våra skor,
våra hängslen och våra proteser

inte längre designas och framställas
med hjälp av hantverksmetoder,

utan istället med ramverk
baserade på insamlat data.

I den framtiden kommer våra skor
inte längre ge oss skavsår.

Vi bygger även in sensoriska
och smarta material

i det syntetiska skinnet.

Det här är ett material som utvecklats
av SRI International, i Kalifornien.

När det utsätts för elektrostatiska fält
så ändrar det styvhet.

Utan spänning är materialet följsamt,
fladdrigt som papper.

När man tycker på knappen,
och lägger på spänning,

blir det styvt som en planka.

(Knackande ljud)

Vi använde det här materialet
i det syntetiska skinnet

som fäster mina biomekaniska ben
vid kroppen.

Här går jag utan någon spänning pålagd.

Mitt gränssnitt är mjukt och följsamt.

När spänning läggs på blir det styvare,

så att jag får bättre styrsel
på de bioniska benen.

Vi bygger även exoskelett.

Det här exoskelettet blir
omväxlande styvt och mjukt,

precis när det behövs när man springer,

för att skydda de biologiska lederna
från smällar och slitage.

I framtiden kommer vi ha på oss exoskelett
i vardagliga aktiviteter som löpning.

Nu till det dynamiska gränssnittet.

Hur kan man få bioniska kroppsdelar
att röra sig naturligt?

I mitt labb på MIT studerar vi människor
med normal fysiologi

som står, går och springer.

Vad gör musklerna,

och hur kontrolleras de av ryggmärgen?

Resultaten bestämmer vad vi ska bygga.

Vi bygger bioniska vrister,
knän och höfter.

Vi bygger kroppsdelar från grunden.

De här biomekaniska benen
som jag använder, kallas BiOMer.

De har provats ut
till nära 1 000 patienter,

varav 400 är skadade amerikanska soldater.

Hur fungerar de?

När hälen sätts i marken,
kan en dator kontrollera styvheten

för att mildra stöten
när foten slår i marken.

Halvvägs bidrager det biomekaniska benet
med vridmoment och kraft

för att lyfta personen vidare i steget,
jämförbart med musklers funktion i vaden.

Denna bioniska framdrivningsteknik
är mycket viktig för patienter.

Till vänster ser ni bioniska ben
användas av en dam,

och till höger passiva proteser
använda av samma dam,

som inte lyckas emulera
normal muskelfunktion,

som möjliggör för henne
det alla borde kunna göra,

att kunna gå i trapporna hemma.

Bionik gör också att man kan
göra saker utöver det vanliga.

Här springer en man uppför en stenig stig.

Det här är Steve Martin, inte komikern,

som förlorade sina ben
i en bombexplosion i Afghanistan.

Vi bygger även exoskelett
baserade på samma principer,

som man sätter utanpå
den biologiska kroppsdelen.

Den här mannen har inte några problem
med sina ben, inget handikapp.

Han har en helt normal fysiologi.

Dessa exoskelett tillför muskelliknande
vridmoment och kraft,

så att hans muskler inte behöver använda
sitt vridmoment och kraft.

Det första exoskelettet i historien
som förbättrar mänsklig gång.

Det drar ner energiåtgången märkbart.

Skillnaden är så stor,

att när en normal, frisk person

använder dem i 40 minuter
och sedan tar av dem,

känns de egna benen
löjligt tunga och osmidiga.

Vi går in i en era där maskiner
som sätts på våra kroppar

kommer göra oss starkare,
snabbare och mer effektiva.

Till sist, det elektriska gränssnittet.

Hur kommunicerar bioniken
med mitt nervsystem?

På mina ben sitter elektroder

som mäter de elektriska pulserna
från mina muskler,

som skickas till det bioniska benet.

När jag tänker att jag rör mitt fantomben,
fångar roboten upp dessa rörelseönskemål.

Diagrammet visar en översikt över
hur bioniska kroppsdelar kontrolleras.

Vi modellerade den saknade
biologiska kroppsdelen,

och vi har upptäckt de reflexer som sker,

hur reflexerna från ryggmärgen
kontrollerar musklerna.

Det har vi lagt in på chippet
i den bioniska kroppsdelen.

Vi har jobbat med reflexens känslighet,

den modellerade ryggmärgsreflexen,
med sin neurologiska signal.

När musklerna i min benstump slappnar av
får jag väldigt lite vridmoment och kraft,

men när jag spänner mina muskler
får jag mer vridmoment,

och jag kan till och med springa.

Det var den första demonstrationen
av springande gång styrt av nerver.

Känns fantastiskt bra.

(Applåder)

Vi vill gå längre.

Vi vill sluta loopen mellan människan
och den bioniska externa kroppsdelen.

Vi gör experiment

där vi odlar nerver, genomgående nerver,
genom kanaler, eller mikrokanalkluster.

På andra sidan kanalen
fäster nerven på celler,

skinnceller och muskelceller.

I motorikkanalerna kan vi känna
hur personen önskar röra sig.

Det kan sändas trådlöst
till den bioniska kroppsdelen,

och känselinformation
från den biomekaniska kroppsdelen

kan konverteras till stimulering
i intilliggande kanaler,

känselkanaler.

När det här är fullt utvecklat
och redo för mänsklig användning,

så kommer personer som jag

inte bara ha syntetiska kroppsdelar
som kan röra sig naturligt,

men som faktiskt känns
som riktiga kroppsdelar.

På den här videon ser ni Lisa Mallette,
kort efter att hon fick bioniska ben.

Bionik innebär en stor skillnad
i människors liv.

(Video) Lisa Mallette: Herre gud!

Herre gud, jag kan inte tro det är sant!

(Skratt)

Det är som om jag hade ett riktigt ben!

Börja inte springa nu.

Man: Vänd dig om nu,
och gör samma sak på vägen upp,

men sätt i hälen och gå upp på tå
som du normalt skulle göra på plan mark.

Försök gå rakt upp för rampen.

ML: Herre gud!

Man: Lyfter de upp dig?

LM: Ja! Jag gör inte...
Jag kan inte ens beskriva det.

Man: Den lyfter upp dig.

Hugh Herr: Nästa vecka
ska jag besöka centret...

Tack! Tack!

(Applåder)

Tack!

Nästa vecka besöker jag

Centers for Medicare and
Medicaid Services (CMS),

och jag ska försöka övertyga CMS om

att välja rätt programmeringsspråk
och prissättning,

så att denna teknik blir tillgänglig
för alla patienter som behöver den.

(Applåder)

Tack!

(Applåder)

Det är inte så känt,
men över hälften av världens befolkning

lider av någon kognitiv, emotionell,
sensorisk eller motorisk sjukdom,

och på grund av dålig teknik,

resulterar sjukdomar allt för ofta
i handikapp och sämre livskvalitet.

Grundläggande fysiologiska funktioner
borde vara en mänsklig rättighet.

Alla borde ha rätt till ett liv
utan handikapp,

om de vill det,

rätt till ett liv utan djupa depressioner,

rätten att kunna se en närstående
om man är synskadad,

rätten att gå eller dansa,
om man är förlamad eller amputerad.

Som samhälle kan vi uppnå
dessa mänskliga rättigheter,

om vi accepterar tanken
att människor är inte handikappade.

En person kan aldrig gå sönder.

Vår uppbyggda miljö, vår teknik,
är trasig och handikappad.

Vi behöver inte acceptera
våra begränsningar,

vi kan övervinna handikapp
med hjälp av tekniska uppfinningar.

Genom fundamentala framgångar
inom bionik detta århundrade,

kommer vi lägga den tekniska grunden
som ger människor ett bättre liv,

och vi kommer utrota handikapp.

Jag vill avsluta med en historia till,
en mycket vacker historia.

Historien om Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne förlorade sitt vänstra ben
i terroristattacken i Boston.

Jag träffade henne då den här bilden togs,
vid Spaulding Rehabilitation Hospital.

Adrianne är dansare, tävlingsdansare.

Adrianne lever för dansen.

Det är hennes uttryck, hennes konstform.

När hon förlorade sitt ben
i terroristattacken i Boston

ville hon kunna återvända till dansgolvet.

På vägen hem i min bil, tänkte jag:

Jag är professor på MIT. Jag har resurser.

Låt oss bygga ett bioniskt ben,
så hon kan återfå sitt liv som dansare.

Jag involverade vetenskapsmän från MIT,

experter på proteser, robotteknik,
artificiell intelligens och bionik.

Under 200 dagar studerade vi dans.

Vi engagerade dansare utan handikapp

och vi studerade hur de rörde sig,
vilka krafter de använder på dansgolvet.

Vi samlade in all data,

och sammanställde de grundläggande
principerna för dans,

reflexer som används under dans,

och lade in det i det biomekaniska benet.

Bionik handlar inte bara om
att göra människor starkare och snabbare.

Våra uttryck, vår mänsklighet,
kan byggas in i elektromekaniken.

Det var 3,5 sekund mellan explosionerna
i Bostons terroristattack.

På 3,5 sekunder tog förbrytarna och
fegisarna bort Adrianne från dansgolvet.

På 200 dagar hjälpte vi henne tillbaka.

Vi låter oss inte skrämmas, tryckas ner,
förminskas, erövras eller stoppas

av våldshandlingar.

(Applåder)

Mina damer och herrar,

låt mig presentera Adrianne Haslet-Davis;

hennes första framträdande sedan attacken.

Hon dansar med Christian Lightner.

(Applåder)

(Musik: "Ring My Bell"
framförd av Enrique Iglesias)

(Applåder)

Mina damer och herrar:
medlemmarna i forskningsteamet.

Elliott Rouse

och Nathan Villagaray-Carski.

Elliott and Nathan, kom fram.

(Applåder)