Bionic Ankel 'Emulates Nature'

Dessa dagar får Hugh Herr, docent i mediekonst och vetenskap vid MIT, cirka 100 e-postmeddelanden dagligen från människor över hela världen som är intresserade av hans bioniska lemmar.

Meddelanden strömmar in från amputerade som söker proteser och från media som söker intervjuer. Sedan finns det studenter som vill gå med i Herrs forskargrupp. Tekniken inspirerar unga människor att komma in på området, vilket är underbart, säger Herr.

Det är ett tecken på det banbrytande arbete Herr har gjort vid MIT Media Lab under de senaste två decennierna. En amputerad själv, Herr har designat (och burit) bioniska benproteser som, säger han, efterliknar naturen - efterliknar funktionerna och kraften hos biologiska knän, vrister och vader.

Förra månaden skapade Herrs TED-talk rubriker, eftersom Adrianne Haslet-Davis, en professionell dansare vars ben delvis amputerades efter Boston Marathon-bombningarna 2013, använde en av sina proteser för att rumba på scenen.

Foto: Bryce Vickmark

De flesta av dessa proteser har nått världen genom Herrs startup, BiOM (ursprungligen kallad iWalk). Sedan 2010 har företaget fört världens första bioniska fot- och kalvsystem till mer än 900 patienter världen över, inklusive cirka 400 krigsveteraner.

Det är alltid bra att designa något som folk kommer att använda. Det är fantastiskt att göra vetenskapen, ja, men det är också fantastiskt att se mänskligheten använda något som man har uppfunnit, säger Herr och tillägger: Att översätta teknik från labbet håller ingenjörerna ärliga.

Ursprungligen utvecklad av Herrs forskargrupp, BiOMs protes, kallad BiOM T2 System, simulerar en biologisk fotled (och ansluten vadmuskel), som ger en naturlig fotledsfunktion under steg.

Med hjälp av batteridriven bionisk framdrivning justerar två mikroprocessorer och sex miljösensorer fotledens styvhet, kraft, position och dämpning tusentals gånger per sekund, i två huvudpositioner: För det första, vid hälstöt, kontrollerar systemet fotledens styvhet för att absorbera stötar och tryck skenbenet framåt. Sedan genererar algoritmer fluktuerande kraft, beroende på terräng, för att driva en bärare upp och framåt.

När protesen anpassas till patienter kan protesläkare programmera lämplig styvhet och kraft genom alla stadier av en gång, med hjälp av programvara skapad av Herrs grupp – en process som företaget kallar Personal Bionic Tuning.

Systemet återställer bland annat naturlig gång, balans och hastighet; sänker ledspänningen; och drastiskt sänker tiden som krävs för att acklimatisera sig till protesen (vilket kan ta veckor eller månader med konventionella modeller). Ofta, inom några minuter, går en patient runt, till och med springer runt, säger Herr, BiOMs tekniska chef.

Systemet, säger Herr, kan också hjälpa till att förebygga artros, ett ledtillstånd som orsakas av ålder och benansträngning, genom att ge vad- och fotledskraft och stöd även i hög ålder.

Att ta sig från bänk till säng

Under hela 1990-talet och början av 2000-talet började Herr, som tappade båda benen efter en klätterolycka 1982, undersöka bristerna hos konventionella proteser och matematiskt modellera hur fotleden fungerar när man går.

Bland annat stelnar fotleden och ger framdrivning (i det bakre benet) under steg, vilket mildrar påverkan på det främre benet och minskar belastningen på benens leder och rygg. När amputerade bär konventionella proteser - som är beroende av fjädrar eller hydraulik och inte släpper ut mer energi än de absorberar - går de långsammare, förbrukar mer metabol energi och upplever större muskel- och skelettstress, vilket orsakar ledartros.

Den vetenskapliga och tekniska forskningen som i slutändan ledde fram till dagens BiOM-protes utfördes av Herrs forskargrupp inom MIT Media Lab. Sedan 2003 har gruppen designat och tillverkat många protetiska prototyper för att testa hypoteser om interaktion mellan människa och maskin. Flera av dessa - prototypdesigner med exponerade mekaniska delar och slingande ledningar - visas permanent på MIT Media Lab.

Fortfarande idag kan Herr minnas att han steg in i gruppens första bioniska benprototyp – och sedan tillbaka till en traditionell protes – för första gången.

Det var lika djupt som när du går genom flygplatsen och du träffade den rörliga gångvägen. När du går av och återgår till normal promenad, säger du: 'Att gå är verkligen ansträngande och långsamt', säger han. Det var så det var att gå från vårt drivna system till passiva konventionella system. Så jag visste att det fanns magi där kliniskt.

Herrs erfarenhet av att kommersialisera en datorstyrd knäled – designad av hans grupp för det isländska företaget Ossur – inspirerade honom att lansera iWalk 2006. Knäet, som nu används av tusentals patienter över hela världen, använder järnpartiklar suspenderade i olja mellan stålplåtar och manipulerade av ett elektromagnetiskt fält för att antingen stelna eller slappna av under en bärares gång.

Med Össur skedde en rejäl, tidskrävande överföring av teknik – men lanseringen av en MIT-startup säkerställde bland annat att en kärngrupp av uppfinnare skulle stanna kvar för att förnya och kommersialisera produkten.

Jag funderar alltid på att minimera tiden och investeringarna för att ta mig från bänk till säng, säger Herr. Att starta ett företag är ett sätt att förbättra den effektiviteten. Och det är idealiskt för passion: Uppfinnare bryr sig bara mycket om sina uppfinningar, och den passionen och engagemanget ger upphov till kommersiella framsteg.

Dagens BiOM-system har genomgått mer än 20 iterationer, finansierat av cirka 50 miljoner dollar i riskkapital och bidrag – och företaget fortsätter att designa och förnya. BiOM Ankel System förbättras inte bara månad för månad, år för år, utan företaget planerar också att lansera ytterligare bioniska produkter i utrymmet för att ge hjälp till ett större antal människor, säger Herr.

Artros, humanoid design och personlig bionik

BiOMs bredare mål är att förebygga kostsamma tillstånd som artros. När vi åldras, orsakar förlusten av snabba muskelfibrer och överdriven kraft att fotleds- och vadmusklerna tappar kraft, vilket orsakar smärtsamma ledbesvär, såsom knäartros och ländryggssmärta - delvis orsakade av besvärliga, haltande gångarter. I den äldre befolkningen är ledartros en ledande orsak till rörelsehinder.

Åtminstone bland amputerade, säger Herr, skulle BiOM kunna hjälpa till genom att utrusta äldre populationer med benproteser som är lika i biomekanisk smidighet och kontroll som en ung vuxens ben: Vi befinner oss i en position där vi kan sätta 18-åriga vadmuskler på patienter oberoende av deras ålder, vilket minskar problemet med ledartros i alla populationer, säger Herr.

Genom att föra fram proteser, säger Herr, kan tekniken också leda till innovation inom ett närbesläktat område: humanoid robotik. Föreställ dig en framtid där vi kommer att ha bioniska fötter, vrister, knän och höfter som är tekniskt optimala. Man skulle bara kunna skruva ihop dessa bitar för att producera en humanoid hårdvaruplattform, säger Herr.

Men i slutändan syftar arbetet av både BiOM och Herrs grupp vid MIT, säger han, till att hjälpa till att revolutionera idén om personlig bionik, och sudda ut gränserna mellan elektromekanik och människokroppen. Till exempel arbetar hans MIT-grupp bland annat med bioniska lemmar som kan kontrolleras av sinnet och fästas vid kroppen.

När vi går in i detta århundrade kommer tekniken att bli mer intim med våra kroppar, säger Herr. Den bioniska designmetoden är grundad i biologisk vetenskap som försöker att i grunden förstå hur våra kroppar och hjärnor fungerar, och översätter den kunskapen till teknik som återspeglar dessa principer, vilket leder till en värld där teknologin, eftersom den är så medfödd mänsklig, i huvudsak försvinner.

Dölj