211service.com
The Body Electric
Obekväma skor. Obehagliga kryckor. Smärtsamma konstgjorda lemmar. När teknik möter biologi är gränssnittet sällan felfritt – och enheterna hindrar ofta de kroppar som de ska hjälpa. Hugh Herr, SM ’93, tror att teknologer kan göra bättre. Herr, som är docent i mediekonst och vetenskap och ledare för Biomechatronics Group i MIT:s Media Lab, bygger sofistikerade enheter som hjälper mänsklig rörelse genom att efterlikna naturen.
I mars gav Herr en rubrik TED-prat om arbetet i hans labb med att skapa en speciell protes som gjorde det möjligt för Adrianne Haslet-Davis, en dansare vars ben delvis amputerades efter bombattentaten i Boston Marathon 2013, att utföra en rumba för publiken. Men mer än att lyfta fram ett enda projekt, bjöd Herrs föredrag in allmänheten i hans större vision: en värld där teknik raderar funktionshinder och där de syntetiska och biologiska världarna smälter samman sömlöst.
Det är ovanligt att hitta en forskare vars arbete och personliga historia är så sammanflätade, och inte bara för att Herr, själv dubbelamputerad, nu går på bioniska ben som hans labb designat. Som både bergsklättrare och användare av proteser har Herr direkt erfarenhet av frustrerande dåliga protesdesigner – och en idrottares beslutsamhet att övervinna dem. Hans labb arbetar med att förstå knepen som människokroppen använder för att röra sig effektivt, och sedan översätta den kunskapen till robotenheter som inte bara kan återställa funktionen för dem som har tappat den utan förbättrar normala mänskliga förmågor.
Föreställ dig om 50 år från nu, med verkligt avancerad bionisk teknologi, [om] du vill ha en tredje arm kan du ha en tredje arm, säger han. Det är coolt .
En omdirigerad passion
Herr, 50, beskriver sig själv som en fokuserad person, och han talar med en högtidlighet som gör det lätt för människor att sakna hans torra humor. När han var ung var det intensiva fokuset riktat mot en sak: klättring. Mitt unika mål var att bli den bästa klättraren i världen, säger han. Hans akademiska intressen var, medger han villigt, obefintliga. 1982, när han var 17, fångades Herr och en vän i en snöstorm när de besteg Mount Washington i New Hampshire. De var strandsatta i tre nätter innan de räddades; en man som försökte rädda dem dog. Herrs frostbitna ben amputerades under knäna.
Det är alarmerande för varje person som först får en konstgjord lem hur lågteknologisk och ålderdomlig tekniken är – definitivt då, säger han. Hans första proteser var tillfälliga med gipshål, och han fick instruktioner om att inte gå utan kryckor eller annat stöd: gipset skulle splittras under hans fulla vikt. Senare fick han permanenta proteser av trä, gummi och plast, men de var stela och smärtsamma.
Ändå fann Herr att han fortfarande kunde utmärka sig i bergsklättringens vertikala värld. På gymnasiet hade han utbildat sig i verktygs- och formbearbetning på en yrkesskola; kort efter att han kommit hem från sjukhuset, satte han upp en verkstad i garaget och satte de färdigheter i arbete med att designa och bygga sina egna proteser för bergs- och isklättring. Klättring är en sport där den typiska människokroppen kan kännas besvärlig, vilket alla som har försökt balansera på ett litet fotfäste eller kila in en fot i en spricka kan intyga. Så Herrs design såg inte ut som fötter alls. Jag övergav snabbt uppfattningen att protesen måste se ut som en mänsklig lem, och jag började tänka: vad är optimalt, vad är bäst för funktionen? han säger. Han skapade små fötter som kunde balansera på en visktunn kant, och yxliknande blad som kunde passa in i en spricka.
Snart nog började Herr klättra på svårare vägar än han hade bemästrat innan olyckan. Det var djupt inspirerande, säger han. Jag hade aldrig uppskattat teknikens förmåga att förändra en individs liv så snabbt. Den uppenbara karriärvägen han kunde ha tagit, att arbeta i sin fars husbyggande, var inte längre ett alternativ för honom, och han hade nu ett egenintresse av att göra konstgjorda lemmar bättre. Så även om Herr aldrig hade tänkt gå på college, bestämde han sig några år efter sin olycka för att prova det och tog en kandidatexamen i fysik vid Millersville University i Pennsylvania vid 25 års ålder. Det ersatte min passion för klättring, säger han. På två år gick jag från att inte kunna ta 10 procent av hundra till att studera kvantmekanik på forskarnivå. Medan han var på Millersville fick han också sitt första patent, för en proteshylsa designad med vätskeblåsor för bättre komfort.
Efter examen kom Herr till MIT, där han avslutade en magisterexamen i maskinteknik 1993. Hans examensarbete handlade om den ovanliga idén att utveckla en elastisk kostym för att göra vertikal klättring lättare: rörelsen att sträcka sig upp för att ta tag i ett handtag sträcker ut resåren , och dess lagrade energi används sedan för att hjälpa den mer tröttsamma rörelsen att dra kroppen uppåt. Hans labb arbetar fortfarande med idén idag. För sin doktorsexamen i biofysik vid Harvard utvecklade han en numerisk modell för att beskriva hur en häst springer och etablerade principer för att efterlikna den robotiskt. Han arbetade också i MIT:s Leg Lab, som gjorde framsteg i att bygga robotar med ben som kunde gå och springa. Labbet leddes sedan av Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90 (dess grundare, Marc Raibert, hade redan lämnat för att arbeta heltid på företaget han grundade, Boston Dynamics). När Herr tog examen anställde Pratt honom som postdoc.
Herr arbetade med Pratt för att utveckla en datorstyrd knäled som använder en magnetoreologisk vätska - en vätska vars viskositet ändras när ett magnetfält appliceras - för att variera ledens stelhet när en person går.
Pratt var så imponerad av Herrs arbete med knäet, som så småningom kommersialiserades som Rheo Knee, att han gjorde honom till meddirektör för labbet, även om Herr bara var en postdoc. Hugh hade enorma praktiska kunskaper om proteser, han hade enormt bra intuition om kontroll och han var också väldigt stark när det gäller fysik, säger Pratt, numera programledare på DARPA. När Pratt lämnade MIT år 2000 tog Herr över labbet, som så småningom blev Biomechatronics Group inom Media Lab.
Vetenskapen om att gå
Besökare till Biomechatronics Group, som fyller hälften av ett stort öppet rum på Media Labs andra våning, kan komma för att se framtiden för bionik, men de kommenterar ofta röran. Labbet, som vanligtvis är fullmatat med studenter och postdocs som arbetar med projekt, är översållat med datordelar, kaffekoppar, sladdar, tejprullar, slumpmässiga verktyg och plastformar av mänskliga fötter. I mitten av utrymmet finns en upphöjd plattform med ett löpband och en uppsättning höfthöga parallella stänger. Tio kameror tränade på plattformen fångar motivens rörelser när de springer och går på löpbandet. Det beror på att en viktig del av labbets arbete är att beskriva hur människokroppen rör sig. Att gå, även om det är en till synes enkel handling, är fortfarande till stor del mystiskt, och använder energi på ett mycket ekonomiskt sätt som är svårt att återskapa i robotteknik. Vi förstår inte helt hur musklerna styrs, vilket förvånar många, säger Herr. Även om forskare har kunnat simulera mänsklig gång tillräckligt bra för att skapa gående robotar som de som används i DARPA:s robotutmaning, kräver dessa robotar enorma mängder kraft för att göra vad människor åstadkommer med otrolig effektivitet och grace. Det kommer att ta några år till, säger Herr, att förstå att gå tillräckligt bra för att programmera robotar och utveckla protesanordningar som effektivt replikerar mänsklig funktion.
Dessa gång- och löpanordningar designade i Herrs labb är föregångare till ett system som utvecklats av hans spin-off-företag BiOM.
Denna vetenskap, säger han, är avgörande för att designa hårdvaru- och mjukvarustyrsystem för bioniska enheter. Daniel Ferris, chef för Human Neuromechanics Laboratory vid University of Michigan, säger att Herrs styrka är att känna till de biologiska mekanismerna och fysiologin och funktionen på ett sätt som de flesta ingenjörer inte gör. Medan många ingenjörer har byggt robotenheter för rörelse, har ingen riktigt matchat Hughs förmåga att förena biologi med teknik.
Hans labbarbete med att modellera den mänskliga fotleden ledde till slut till utvecklingen av den protes som Herr använder idag, såld som BiOM T2 av hans startup-företag BiOM (tidigare kallad iWalk). Det är den första fot- och ankelprotesen som beter sig, som han uttrycker det, mer som en motorcykel än en cykel, vilket betyder att den lägger energi i systemet snarare än att enbart förlita sig på mänsklig kraft.
Vid mänsklig gång bidrar vadmuskeln och ankelleden med mest kraft. BiOM T2 använder ett batteri för att driva ett system av mikroprocessorer, sensorer, fjädrar och ställdon; leden ger stelhet under ett hälslag för att absorbera stötar, sedan kraft som hjälper till att driva underbenet upp och framåt under ett steg. När du saknar den kraften är den betydande, säger han. När du får tillbaka det är det livsförändrande.
För att hjälpa Adrianne Haslet-Davis att prestera studerade Herr och hans team mänsklig dans och omprogrammerade protesen med algoritmer som skulle göra det möjligt för den att utföra de nödvändiga rotationerna. De designade den också för att minimera batteriet vid vaden, så att den inte kommer i vägen för danssteg.
Målet med sådana anordningar är att göra proteser mer naturliga och, genom att sänka energikostnaderna för att gå, minska ledstress och trötthet. Men att ta in bioniska apparater till kliniken är inte lätt. Bob Emerson, en protesläkare på A Step Ahead Prosthetics som hjälper till att koppla patienter till forskningsprojekt i Herrs grupp, säger att det är utmanande att övertala försäkringsbolag att betala för enheter som BiOM. Det är en långtgående teknisk plattform; folk förstår det inte riktigt, säger han. Han säger att det krävs vision och uthållighet för att driva stora tekniska innovationer på en så liten och specialiserad marknad.
Det finns fortfarande nackdelar med nuvarande bioniska konstruktioner - fotledsproteser som Herrs genomgår till exempel en eller två batteriladdningar om dagen - så Herr och hans kollegor arbetar för att göra protesanordningar mindre, lättare, tystare och mer effektiva. De är också involverade i ansträngningarna att designa mer bekväma uttag för att fästa proteser på kroppen. Människor är mjuka och formbara, säger Herr, och vi är inte statiska; vi förändras med tiden, vi sväller, vi krymper. Så hur man kopplar maskinvärlden till det är ett riktigt svårt problem.
Herr har redan tagit itu med problemet med att ge människor bättre, mer sömlös kontroll över konstgjorda lemmar; hans BiOM fotledsproteser justerar deras vridmoment och kraft som svar på muskelkontraktion. Nu går han ett steg längre och samarbetar med kirurger och andra forskare om sätt att låta bioniska lemmar styras direkt av nervsystemet, vilket han hoppas kunna demonstrera hos en människa under de närmaste åren. Medan gränssnitt mellan hjärna och maskin skulle kräva invasiv kirurgi för hjärnimplantat, vill han ansluta elektroniska enheter till de perifera nerverna på platsen för skadan, vilket gör att människor kan kontrollera bioniska lemmar med sina befintliga nerver och potentiellt till och med uppfatta förnimmelser i extremiteten. Amputation, som för närvarande är en ganska grov operation, kan bli en sofistikerad procedur för att ställa in kroppen för att samverka med en bionisk lem.
Utöka mänsklig förmåga
Längs ena väggen i Biomechatronics Group-labbet rymmer hyllor på hjul som kallas dessertvagnen en rad prototyper av nuvarande och tidigare projekt: fotleder, 3-D-tryckta benuttag, träfötter och pjäxor som samverkar med motorer och metall. delar. Även om samlingen av proteser som hans labb redan har producerat är imponerande, nöjer sig Herr inte bara med att återställa förlorad förmåga. Hans labb arbetar också med teknik som kan förbättra normal mänsklig funktion, vilket gör att vi kan gå eller springa snabbare, bära mer vikt eller klättra lättare. Dessertvagnen har tidiga design för bärbara exoskelett som skulle göra det möjligt för människor att pendla till jobbet till fots lika snabbt som de kan på en cykel, eller bära tunga laster utan att bli trötta.
Herr klättrar i Shawangunk, New York, 1990 iförd fotproteser som han hade designat för eget bruk på klippväggar.
Att bygga ett exoskelett som gör rörelse lättare är utmanande – enheten måste ge användaren en fördel som överstiger bördan av att bära den. Luke Mooney, en doktorand i Biomechatronics Group, säger att många människor tänker exoskelett och föreställer sig en kostym i Iron Man-stil. Men han arbetade nyligen med Herr på ett mycket mer minimalistiskt tillvägagångssätt, och fokuserade enbart på att ge mekanisk kraft till fotleden för att minska energin den behöver för att gå. Deras prototyp, en vandringskänga fäst vid en stag på underbenet och som drivs av ett bärbart batteripaket, är det första exoskelettet som faktiskt kan sänka de metaboliska kostnaderna för att gå, vilket visas i en studie publicerad i maj i Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation . När du kopplar ur den känner du plötsligt att dina fötter är betongblock, säger Mooney.
Även med dessa framgångar är teknologer fortfarande långt ifrån att replikera kroppens naturliga förmågor eller bygga bärbara enheter som dramatiskt kan öka dess förmågor. Jag beundrar Hughs kreativitet och unika tillvägagångssätt och hans drivkraft, säger Woodie Flowers, SM ’68, ME ’70, PhD ’72, en emeritusprofessor i maskinteknik som hjälpte till att handleda Herrs doktorandforskning. Men Herr arbetar inom ett mycket komplext forskningsområde som involverar en mycket intim relation mellan en komplex människa och en komplex maskin, påpekar han. Jag respekterar hur svårt det är.
Omdefiniera den goda kroppen
Trots de praktiska utmaningarna har Herr en långtgående vision för att kombinera teknologi med biologi. Medan vissa forskare och ingenjörer spolar över de sociala konsekvenserna av deras arbete, har han blivit en uttalad förkämpe för hur teknik kan förbättra kroppen.
Många människor som har blivit skadade ser upp till honom för motivation, säger Pratt. En del av den inspirationen kommer från Herrs inställning till proteser. När han insåg att han kunde klättra med benproteser började han fira dem istället för att gömma dem och måla dem i ljusa färger. Idag har han ibland byxor avskurna vid knäna, vilket gör att hans proteser syns.
Herr har aldrig varit bekymrad över att verka ha normala ben; förutom att klättra på fötter byggde han själv konstgjorda lemmar som gör att han kan vara kort eller väldigt lång. Många vill kamouflera sina proteser, säger han, eftersom de förknippar att se normalt ut med att vara attraktiv. Jag gjorde inte kopplingen, säger han med ett skratt. Hans känsla av attraktionskraft formades av klättring; som idrottare kände han alltid att sexighet avgjordes av förmåga mer än utseende. Jag bryr mig inte om hur du ser ut, säger han. Om du inte är svag – om du är motsatsen – är du väldigt sexig.
Faktum är att när konstgjorda lemmar blir mer kraftfulla och funktionella kan de ibland uppfattas som motsatsen till ett funktionshinder. 1986 blev Herr den andra personen som gjorde en fri klättring av en 120-fots spricka i delstaten Washington som heter City Park, som vid den tiden ansågs vara den svåraste sådana stigningen i landet. När en annan klättrare besteg den 2006, diskonterades Herrs prestation av ett stort klättermagasin eftersom hans benproteser ansågs ge honom en fördel. Han ser paralleller med hur världen svarade på OS-löparen Oscar Pistorius, en dubbelamputerad som anklagades för fusk när han använde sina benproteser för att tävla med arbetsföra idrottare.
Vår kultur är tränad att tänka på en person med en ovanlig kropp eller sinne som svag, säger Herr. När det inte finns svaghet, när det finns en idrottare som faktiskt vinner mot den normala kroppen, uppstår en förvirring.
Han tror att idéerna om proteser kommer att förändras. Vi är alla så cell- och vävnadscentrerade, säger han. Vi tror på något sätt att våra celler är heliga, och att så fort en del av våra kroppar är gjorda av titanatomer eller något så är det mindre mänskligt – att man inte kan bädda in mänskligheten i syntetiska material. Men han förutspår att denna fördom bara kommer att bestå så länge som föremålen vi fäster på kroppen är grova, obekväma och dåligt presterande. En konstgjord lem som inte gör något försök att se ut som en mänsklig lem kan verka ful, säger han, men när du tar samma estetik och du gör den mycket funktionell och kraftfull, då kommer den att bli spännande och vacker.
Med tiden, tror han, kommer folk att bry sig mindre om vad vi är gjorda av. Det spelar bara roll vad vi är och vad vi gör – kvaliteten på våra liv, säger han.