Công nghệ sinh kỹ thuật cho chúng ta cơ hội chạy, leo núi và khiêu vũ

Hugh Herr đang xây dựng thế hệ tiếp theo của kỹ sinh chi sinh, bộ phận cơ thể người bằng máy lấy cảm hứng từ những hình mẫu có sẵn trong tự nhiên. Diễn giả Herr mất đôi chân trong một tai nạn leo núi cách đây 30 năm; nay là người đứng đầu của nhóm Sinh-Cơ-Điện thuộc Phòng thí nghiệm MIT Media, ông trình bày về công nghệ tuyệt diệu trong buổi nói chuyện đầy tính kỹ thuật chuyên môn nhưng vẫn rất riêng tư - với sự giúp đỡ của vũ công Adrianne Haslet-Davis, người đã mất chân trái trong vụ đánh bom cuộc thi Marathon Boston 2013, và lần đầu quay lại với sàn diễn khiêu vũ trên sân khấu của TED.

Nhìn sâu vào bên trong thế giới tự nhiên

qua ống kính phóng đại của khoa học,

các nhà thiết kế đúc kết được những
nguyên tắc, quy trình và vật liệu

để hình thành nền tảng cơ bản nhất của
các phương pháp thiết kế.

Từ những cấu trúc tổng hợp tương đồng với
những vật liệu sinh học,

đến những phương thức điện toán
mô phỏng quy trình thần kinh,

thiên nhiên dẫn lối cho ngành thiết kế.

Thiết kế cũng đang dẫn dắt tự nhiên.

Trong các lĩnh vực di truyền học, dược
phẩm tái tạo và sinh học tổng hợp,

các nhà thiết kế đang phát triển
những công nghệ đột phá,

chưa hề được tìm thấy hoặc
dự đoán trong thiên nhiên.

Ngành sinh kỹ thuật tìm tương đồng
giữa sinh học và thiết kế.

Như các bạn thấy, đôi chân của tôi
là sản phẩm sinh kỹ thuật.

Hôm nay, tôi sẽ kể câu chuyện về sự
hợp nhất người và máy sinh kỹ thuật,

về cách máy điện cơ được gắn vào cơ thể,
và được cấy ghép trong cơ thể

chúng bắt đầu xóa khoảng cách giữa
cái không thể và điều có thể,

giữa giới hạn và tiềm năng của con người.

Ngành sinh kỹ thuật cho tôi
thể trạng hiện tại.

Vào năm 1982, hai chân của tôi bị cắt bỏ

do bị phỏng lạnh,

trong một tai nạn leo núi.

Vào lúc đó, tôi không nghĩ
cơ thể tôi bị tàn phế.

Tôi lý luận rằng con người có thể
không bao giờ bị "tàn phế."

Mà chỉ vì công nghệ còn bị trục trặc,

công nghệ chưa hoàn thiện.

Ý tưởng đơn giản nhưng mạnh mẽ này
như là lời kêu gọi tổng động viên,

để phát triển công nghệ nhằm loại bỏ
tình trạng tàn tật của tôi,

và sự khuyết tật của
những người khác.

Tôi bắt đầu thiết kế đôi chân
chuyên biệt này

cho phép tôi trở lại thế giới của

môn leo núi đá và núi băng.

Tôi nhanh chóng nhận ra phần nhân tạo
của cơ thể rất uyển chuyển;

có thể mang bất kỳ hình dạng nào,
và có bất kỳ chức năng nào,

như một tờ giấy trắng
để tôi tha hồ vẽ

những cấu trúc có thể
còn vượt xa khả năng sinh học.

Tôi tự đổi được chiều cao.

Tôi có thể lùn xuống còn mét rưỡi
hay cao lên nếu thích.

(cười)

Khi tôi cảm thấy tự ti,

bị lép vế, tôi lại đẩy mình cao lên,

(Cười)

nhưng khi tôi cảm thấy tự tin
và dễ chịu,

Tôi sẽ giảm chiều cao xuống một nấc,
để cho đối thủ có hy vọng.

(Cười)

(Vỗ tay)

Bàn chân nhỏ, mảnh cho phép tôi
leo theo những khe nứt của đá dốc,

mà chân người không thể lèn vào được,

và bàn chân có mấu nhọn cho phép tôi
leo lên những vách băng dựng đứng,

mà không hề thấy mỏi ở cơ chân.

Nhờ tiến bộ công nghệ,

tôi trở lại với môn thể thao của tôi,
mạnh hơn và tốt hơn.

Công nghệ đã loại bỏ tình trạng
tàn tật của tôi,

và cho tôi năng lực leo núi mới.

Khi còn trẻ, tôi đã mơ về một thế
giới tương lai ở đó công nghệ tiến bộ

có thể loại bỏ mọi khuyết tật,

một thế giới mà việc cấy ghép
thần kinh làm

người mù được sáng mắt.

Một thế giới mà người bại liệt có thể
đi lại, nhờ khung máy nâng cơ thể.

Buồn thay, vì công nghệ chưa hoàn thiện,

nên người tàn tật vẫn còn khắp nơi.

Người đàn ông này bị mất ba chi.

Như là một minh chứng cho công nghệ
hiện nay, ông ấy bước ra khỏi xe lăn,

nhưng ta cần làm máy sinh kỹ thuật tốt
hơn để ngày kia khôi phục hoàn toàn

một người có mức thương tật đến mức này.

Tại phòng thí nghiệm MIT Media,
chúng tôi lập Trung tâm kỹ sinh siêu cấp.

Nhiệm vụ của trung tâm là phát triển
khoa học nền tảng

và khả năng công nghệ

để hoàn thiện máy sinh kỹ thuật, mô phỏng
tái tạo khả năng bị thươg tổn

của não và cơ thể người
trên phạm vi rộng.

Hôm nay, tôi cho bạn biết chân tôi vận
hành thế nào, chúng làm việc ra sao,

như là một minh họa thuyết phục cho
thành công của trung tâm.

Tối hôm qua, tôi đã cạo lông
chân rồi,

vì tôi biết hôm nay
sẽ phải khoe chúng ra.

(Cười)

Thiết bị mô phỏng sinh học kế thừa
kỹ thuật tương tác siêu cấp.

Có 3 tương tác siêu cấu trong đôi chân
mô phỏng của tôi:

tương tác cơ khí, giúp các chi gắn nối
với phần cơ thể;

tương tác động học, giúp chúng chuyển
động được như cơ và xương;

và tương tác điện tử, giúp chúng kết nối
với hệ thần kinh.

Tôi sẽ bắt đầu với giao diện cơ khí.

Trong phần thiết kế,
chúng tôi vẫn không biết

làm sao để gắn kết thiết bị với cơ thể.

Thật lạ, ngày nay,

một trong những công nghệ
lâu đời và thuần thục nhất

là kỹ thuật làm giày,
thế mà ta vẫn bị giộp chân.

Sao lại thế?

Ta thật sự không biết cách kết
nối một đồ vật vào cơ thể.

Đây là thiết kế đẹp như thơ

của giáo sư Neri Oxman
tại MIT Media Lap,

cho thấy thay đổi không gian
của trở kháng trong khung đỡ,

được thể hiện bằng màu khác nhau
trong mẫu in 3D này.

Hãy tưởng tượng trong tương lai
quần áo sẽ cứng hoặc mềm mại đúng ý

để tăng hỗ trợ bảo vệ
và độ linh hoạt,

và không tạo cảm giác khó chịu.

Hai chân sinh kỹ thuật của tôi
được gắn với phần cơ thể

thông qua lớp da tổng hợp
có độ cứng thay đổi,

tạo thành lớp đệm
mô phỏng các động lực sinh học dưới da.

Để tạo được lớp đệm này, chúng tôi
trước hết làm mô hình toán

của đôi chân sinh học của tôi.

Để hoàn thiện, chúng tôi đã dùng
công cụ hình ảnh như máy MRI,

để quan sát bên trong cơ thể,

để hình dung ra hình dạng và vị trí
của những mô khác nhau.

Chúng tôi cũng dùng

công cụ robot, ở đây là một vòng dẫn động
14 nhánh quay quanh chi sinh học.

Đầu dẫn động đọc bề mặt của chi,

đo hình dạng của nó lúc không co,

rồi ấn vào các mô

để đo khả năng thích ứng tại
mỗi điểm của mô.

Chúng tôi kết hợp hình ảnh với
dữ liệu nhận được

để xây dựng một mô phỏng toán học của chi
sinh học của tôi, hình bên trái.

Bạn có thấy nhiều điểm và nút?

Ở mỗi nút, có một màu để diễn tả
mức phản ứng của mô.

Rồi chúng tôi chuyển mô hình toán học
thành mẫu thiết kế da tổng hợp,

như hình bên phải.

Và chúng tôi tìm được trường hợp tối ưu:

nơi mà phần cơ thể cứng thì
da tổng hợp phải mềm,

nơi mà phần cơ thể mềm thì
da tổng hợp cứng,

và sự đối ứng này được áp dụng cho tất cả
bề mặt thích ứng của mô.

Với hình mẫu này, chúng tôi
đã sản xuất những chi

thoải mái nhất mà tôi từng được mang.

Rõ ràng trong tương lai, quần áo,
giày dép, dụng cụ nâng, các bộ phận giả,

sẽ không còn được thiết kế
và sản xuất thủ công,

mà được sản xuất từ hệ thống dây chuyền
điều khiển bằng dữ liệu.

Lúc đó, giày của chúng ta
sẽ không còn làm phồng chân.

Chúng tôi cũng đang đưa vật liệu
cảm ứng và thông minh

vào trong da tổng hợp.

Vật liệu này được chế tạo
bởi Viện nghiên cứu SRI, California.

Dưới hiệu ứng tĩnh điện, da này
thay đổi độ cứng.

Khi điện áp bằng 0,
da sẽ mềm lại,

nó mềm như giấy.

Nhưng khi nhấn nút, nối điện,

nó trở nên cứng như một tấm bảng.

(Tiếng gõ)

Chúng tôi đưa chất liệu này
vào lớp da tổng hợp

chỗ gắn kết phần chân giả
với phần cơ thể sống của tôi.

Khi tôi bước, nó không nối điện.

Mặt tiếp nối mềm và nới lỏng.

Nhưng khi nhấn nút, nối điện,
nói trở nên cứng,

nó cho phép tôi điều khiển
được chân sinh kỹ thuật.

Chúng tôi cũng làm khung đỡ ngoài.

Khung này có thể trở nên
cứng hoặc mềm

vừa đúng cho vùng cần thiết
của quá trình chạy bộ,

để bảo vệ khớp xương khỏi bị
tác động mạnh và thoái hóa.

Trong tương lai, chúng ta có thể sẽ
mang khung xương ngoài

trong những hoạt động
phổ biến như chạy bộ.

Tiếp đến là tương tác động học.

Làm thế nào chân của tôi
cử động được như thật?

Ở MIT Lab, chúng tôi nghiên cứu
cách người bình thường

đứng, đi và chạy.

Các cơ đang làm gì, và

được điều khiển bởi tủy sống thế nào?

Kiến thức cơ bản này là nền
cho chúng tôi chế tạo.

Mắt cá, đầu gối và khớp hông
đang được thiết kế.

Chúng tôi xây dựng những bộ phận cơ thể
từ số không.

Chi sinh kỹ thuật tôi đang mang
được gọi là BiOMs.

Chúng được làm riêng cho gần
1.000 bệnh nhân,

400 trong số đó là thương binh Mỹ.

Nó hoạt động thế nào?

Khi chạm gót, với điều khiển
của máy tính,

hệ thống điều chỉnh độ cứng,

để làm giảm độ sốc của chi
trên mặt đất.

Khi cả bàn chân chạm đất, chi sẽ tạo
mô men xoắn và lực đẩy

để nâng người vào thế bước tới,

giống cách hoạt động của cơ ở bắp chân.

Lực đẩy mô phỏng sinh kỹ thuật này rất
quan trọng đối với bệnh nhân.

Bên trái, bạn thấy thiết bị sinh kỹ thuật
được một quý bà mang,

bên phải, một thiết bị thường cũng được
chính quý bà này mang,

thiết bị thụ động này không mô phỏng
được chức năng của cơ,

không có chức năng này bà ta không làm
được việc mà người thường làm được:

đi lên xuống cầu thang trong nhà.

Sinh kỹ thuật cũng tạo
động tác điền kinh khéo léo lạ thường.

Đây là một quý ông đang chạy
trên một đường đá.

Đó là Steve Martin...
Không phải anh Steve diễn viên đầu,

người bị mất đôi chân trong một
vụ nổ bom ở Afghanistan.

Chúng tôi cũng thiết kế cấu trúc
khung đỡ theo cùng nguyên tắc

để tạo nên chi sinh kỹ thuật này.

Người đàn ông này không có thương tật
ở chân, cũng không có khuyết tật gì.

Ông ấy có thể trạng bình thường,

những khung đỡ đang hỗ trợ cơ - tạo những
mô men và nguồn truyền động,

nên cơ bắp của người này không cần
tạo mô-men lực nữa.

Đây là khung trợ lực đầu tiên trong
lịch sử có thể giúp con người bước đi.

Nó hạn chế đáng kể năng lượng
từ quá trình trao đổi chất.

Nó rất hiệu quả trong việc trợ lực,

khi một người mạnh khỏe mang máy
này trong 40 phút

rồi lấy ra,

thì đôi chân sinh học của anh ta cảm thấy
nặng nề và vụng về một cách buồn cười.

Chúng ta đang bắt đầu thời kỳ máy hỗ
trợ gắn vào người

nó sẽ làm ta mạnh mẽ hơn
nhanh hơn và hiệu quả hơn.

Về tương tác điện tử :

Làm thế nào các chi giả của tôi
liên lạc với hệ thần kinh?

Điện cực được gắn ở
chi bị cụt của tôi

để đo xung điện của các cơ.

Xung điện này truyền đến chi
ghép,

nên khi tôi tưởng tượng lệnh
để cử động chi đã mất,

thì chi rô bốt sẽ theo những
lệnh này để cử động.

Sơ đồ này chỉ ra cách thức cơ bản
chi sinh kỹ thuật được điều khiển.

Vậy chúng tôi mô phỏng chi bị mất,

và ghi nhận những phản xạ,

những cách thức các phản xạ của tủy sống
đang điều khiển các cơ.

Các thông tin này được nhúng vào các
con chíp của chi sinh kỹ thuật.

Rồi chúng tôi điều chỉnh độ nhạy
của các phản ứng,

độ nhạy của phản xạ tủy sống
với tín hiệu thần kinh,

nên khi tôi thả lỏng các cơ
trong phần chi bị cụt,

tôi sẽ có rất ít mô men lực,

nhưng khi căng cơ càng mạnh
thì các mô men càng lớn,

và thậm chí tôi chạy được.

Đó là minh họa đầu tiên của quy trình chạy
theo lệnh của nơ ron.

Thật tuyệt vời.

(Vỗ tay)

Chúng tôi muốn tiến xa hơn.

Chúng tôi muốn xóa khoảng cách

giữa con người và các chi
sinh kỹ thuật.

Chúng tôi thử nghiệm

để nối dài mạng thần kinh,
các dây thần kinh bị cụt,

thông qua mạng các kênh hoặc vi kênh.

Ở phía kia của kênh,

dây thần kinh nối với các tế bào,

tế bào da và tế bào cơ.

Trên các kênh vận động, ta có thể cảm nhận
cách thức người này muốn di chuyển.

Thông tin này có thể được gửi qua
mạng không dây đến chi sinh kỹ thuật,

rồi đến [thông tin cảm giác]
trên chi sinh kỹ thuật

có thể được biến đổi thành
những kích thích trong kênh liền kề,

tức kênh cảm giác.

Vậy khi hệ thống này được phát triển
đầy đủ và cài đặt cho con người dùng,

thì những người này cũng
như tôi sẽ có không chỉ

chân giả tổng hợp có thể di chuyển
như chân bằng da thịt,

mà còn có được cảm giác như da và xương.

Video này cho thấy Lisa Mallette,

không lâu sau khi được gắn
2 chân sinh kỹ thuật.

Thật sự, sinh kỹ thuật làm nên những
khác biệt lớn trong đời của con người.

(Video) Lisa Mallette: Ôi trời ơi.

LM : Trời ơi, tôi không thể tin được!

(Video) (Cười)

LM: Giống y như là tôi
có ại cái chân thật ấy!

Giọng nữ : Giờ đừng chạy nhé.

Giọng nam: giờ hãy quay lại, và làm như
đang đi bộ lên dốc,

nhưng hãy nâng từ gót đến ngón, như là
bạn muốn bước lên mặt sàn cao hơn.

Hãy cố bước thẳng lên đồi.

LM: Ôi trời ơi.

Giọng nam: Nó đẩy bạn nhỉ?

LM: Vâng, tôi thậm chí.. tôi không
diễn tả được.

Nam: Nó đang đẩy bạn lên.

Hugh Herr: Tuần tới, tôi sẽ
đến thăm trung tâm...

Xin cảm ơn, cảm ơn.

(Vỗ tay)

Xin cảm ơn.

Tuần tới tôi sẽ đến thăm Trung tâm
Chăm sóc và Dịch vụ Hỗ trợ y tế, CMS

Và tôi sẽ cố gắng thuyết phục CMS

tài trợ cho chương trình ngôn
ngữ lập trình và giá cả,

để các bệnh nhân có thể tiếp cận
công nghệ này.

(vỗ tay)

Cám ơn.

(Vỗ tay)

Mặc dù chưa có số liệu cụ thể,
nhưng hơn một nửa dân số thế giới

phải chịu một số tình trạng kém về
trí tuệ, cảm xúc, cảm giác hay vận động,

bởi vì công nghệ còn kém, nên thường là
cái khó bó cái khôn

làm chất lượng cuộc sống thấp hơn.

Mức độ cơ bản của chức năng sinh lý
nên được ghi nhận trong quyền con người.

Mỗi người nên có quyền được sống một
cuộc sống không tàn tật

nếu họ có nguyện vọng,

họ có quyền sống cuộc sống không
bị trầm cảm nặng;

quyền được nhìn được thấy người thân
yêu, trong trường hợp họ bị mù;

hoặc quyền được đi lại và nhảy múa,

trong trường hợp họ bị
bại liệt hay bị cụt.

Trong xã hội, chúng ta có thể đạt
được những quyền con người này,

nếu chúng ta chấp nhận đề xuất
rằng con người không bị tàn tật.

Một người không bao giờ bị tàn phế.

Chỉ có môi trường, công nghệ của chúng ta

bị hỏng và kém cỏi.

Con người không nên chấp nhận giới hạn

nhưng phải vượt qua khuyết tật
thông qua tiến bộ công nghệ.

Thật vậy, với những tiến bộ cơ bản
của ngành sinh kỹ thuật trong thế kỷ này,

chúng ta sẽ thiết lập nền tảng công nghệ
để nâng cao tầm với cảm nhận con người,

và chúng ta sẽ chữa lành sự tàn tật.

Tôi xin phép được kết thúc bằng một câu
chuyện, một câu chuyện đẹp.

Câu chuyện về Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne bị mất chân trái
trong vụ đánh bom khủng bố Boston.

Tôi gặp Adrianne trong bức ảnh tại
Bệnh viện Phục hồi chức năng Spaulding.

Adrianne là một vũ công khiêu vũ cổ điển.

Adrianne thở và sống với khiêu vũ.

Đó là cách cô ấy thể hiện bản thân,
là hình thức nghệ thuật của cô.

Cô ấy bị mất chân tại vụ
khủng bố ở Boston,

cô ấy muốn trở lại sàn khiêu vũ.

Sau khi gặp cô ấy và lái xe về nhà,

Tôi nghĩ, tôi là giáo sư tại MIT.
Tôi có kiến thức và khả năng.

Hãy làm cho cô ấy một chân,

để cô ấy quay trở lại
sống cuộc sống khiêu vũ.

Tôi tập hợp những nhà khoa học
và chuyên gia ở MIT về chi giả,

về robot, về trí tuệ nhân tạo
và sinh kỹ thuật,

qua hơn 200 ngày làm việc,
chúng tôi đã nghiên cứu khiêu vũ.

Chúng tôi mời các vũ công
có đôi chân bình thường,

và nghiên cứu cách họ chuyển động,

nghiên cứu lực họ tác động lên sàn nhảy,

chúng tôi thu thập dữ liệu đó,

và đưa ra nguyên lý
cơ bản của khiêu vũ,

khả năng phản xạ khi khiêu vũ,

và chúng tôi đưa công nghệ thông minh
đó vào chi sinh kỹ thuật.

Nghành sinh kỹ thuật không chỉ làm
cho con người mạnh hơn và nhanh hơn.

Cảm xúc, tính nhân bản của ta còn được
hàm chứa trong các thiết bị điện cơ.

Vụ nổ bom khủng bố ở Boston
kéo dài 3,5 giây.

Trong 3,5 giây, bọn tội phạm hèn hạ
đã đẩy Adrianne ra khỏi sàn khiêu vũ.

Trong 200 ngày, chúng tôi
đưa cô ấy trở lại.

Chúng ta sẽ không khiếp sợ, đầu hàng,
không bị chinh phục, đè bẹp hay cúi đầu

trước hành vi bạo lực.

(Vỗ tay)

Quý vị thân mến, cho phép tôi được
giới thiệu Adrianne Haslet-Davis,

biểu diễn đầu tiên của cô ấy
sau vụ tấn công.

Cô ấy sẽ khiêu vũ cùng Christian Lightner.

(Vỗ tay)

(Nhạc: "Ring my bell",
Enrique Iglesias trình diễn)

(Vỗ tay)

Xin giới thiệu với quý vị
thành viên của nhóm nghiên cứu,

Elliott Rouse

và Nathan Villagaray-Carski.

xin mời Elliott và Nathan.

(vỗ tay)