Bionic ankel 'Emulates Nature'

I disse dage modtager Hugh Herr, en lektor i mediekunst og -videnskab ved MIT, omkring 100 e-mails dagligt fra mennesker over hele verden, der er interesseret i hans bioniske lemmer.

Beskeder strømmer ind fra amputerede, der søger proteser, og fra medier, der forfølger interviews. Så er der studerende, der ønsker at deltage i Herrs forskningsgruppe. Teknologien inspirerer unge mennesker til at komme ind i feltet, hvilket er skønt, siger Herr.

Det er en markering af det banebrydende arbejde, Herr har udført på MIT Media Lab i løbet af de sidste to årtier. Herr, som selv er amputeret, har designet (og båret) bioniske benproteser, der, siger han, efterligner naturen - efterligner funktionerne og kraften af ​​biologiske knæ, ankler og lægge.

I sidste måned trak Herrs TED-talk overskrifter, da Adrianne Haslet-Davis, en professionel danser, hvis ben blev delvist amputeret efter Boston Marathon-bomberne i 2013, brugte en af ​​sine proteser til at rumba på scenen.

Foto: Bryce Vickmark

De fleste af disse proteser er nået til verden gennem Herrs startup, BiOM (oprindeligt kaldet iWalk). Siden 2010 har virksomheden bragt verdens første bioniske fod- og lægsystem til mere end 900 patienter verden over, herunder omkring 400 krigsveteraner.

Det er altid godt at designe noget, folk vil bruge. Det er fantastisk at lave videnskaben, ja, men det er også fantastisk at se menneskeheden bruge noget, man har opfundet, siger Herr og tilføjer: At oversætte teknologi ud af laboratoriet holder ingeniører ærlige.

Oprindeligt udviklet af Herrs forskningsgruppe, BiOMs protese, kaldet BiOM T2 System, simulerer en biologisk ankel (og forbundet lægmuskel), der leverer en naturlig ankelfunktion under skridt.

Ved hjælp af batteridrevet bionisk fremdrift justerer to mikroprocessorer og seks miljøsensorer ankelstivhed, kraft, position og dæmpning tusindvis af gange i sekundet i to hovedpositioner: For det første styrer systemet anklens stivhed for at absorbere stød og skub skinnebenet frem. Derefter genererer algoritmer fluktuerende kraft, afhængigt af terræn, for at drive en bærer op og frem.

Når protesen tilpasses patienter, kan proteser programmere passende stivhed og kraft gennem alle stadier af en gang, ved hjælp af software skabt af Herrs gruppe - en proces, som virksomheden kalder Personal Bionic Tuning.

Systemet genopretter blandt andet naturlig gang, balance og hastighed; sænker ledstress; og sænker drastisk den tid, der kræves for at akklimatisere sig til protesen (hvilket kan tage uger eller måneder med konventionelle modeller). Ofte, inden for få minutter, går en patient rundt, endda løber rundt, siger Herr, BiOMs teknologichef.

Systemet, siger Herr, kunne også hjælpe med at forhindre slidgigt, en ledtilstand forårsaget af alder og benspænding, ved at give læg- og ankelkraft og støtte selv i høj alder.

At komme fra bænk til seng

Igennem 1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne begyndte Herr, som mistede begge ben efter en klatreulykke i 1982, at forske i manglerne ved konventionelle proteser og matematisk modellere, hvordan ankelleddet fungerer, mens han går.

Blandt andet stivner anklen og giver fremdrift (i det slæbende ben) under skridt, hvilket mindsker påvirkningen af ​​det forreste ben og mindsker belastningen af ​​benens led og ryg. Når amputerede bærer konventionelle proteser - som er afhængige af fjedre eller hydraulik og ikke frigiver mere energi, end de absorberer - går de langsommere, forbruger mere metabolisk energi og oplever større muskel- og skeletbelastning, som forårsager ledslidgigt.

Den videnskabelige og tekniske forskning, der i sidste ende førte til nutidens BiOM-protese, blev udført af Herrs forskergruppe inden for MIT Media Lab. Siden 2003 har gruppen designet og fremstillet mange protetiske prototyper for at teste hypoteser om menneske-maskine interaktion. Flere af disse - prototypedesign med synlige mekaniske dele og looping ledninger - er på permanent udstilling på MIT Media Lab.

Stadig i dag kan Herr huske, at han trådte ind i gruppens første bioniske benprototype - og derefter tilbage til en traditionel protese - for første gang.

Det var lige så dybt, som når du går gennem lufthavnen, og du ramte den bevægelige gangbro. Når du står af og vender tilbage til normal gang, tænker du: 'At gå er virkelig anstrengende og langsomt', siger han. Sådan var det at gå fra vores drevne system til passive konventionelle systemer. Så jeg vidste, at der var magi der klinisk.

Herrs erfaring med at kommercialisere et computerstyret knæled - designet af hans gruppe for det islandske firma Ossur - inspirerede ham til at lancere iWalk i 2006. Knæet, der nu bruges af tusindvis af patienter verden over, bruger jernpartikler suspenderet i olie mellem stålplader og manipuleret af et elektromagnetisk felt til enten at stivne eller slappe af under en bærers gang.

Hos Ossur var der en heftig, tidskrævende overførsel af teknologi - men lanceringen af ​​en MIT-startup sikrede blandt andet, at en kernegruppe af opfindere ville blive ved med at innovere og kommercialisere produktet.

Jeg tænker altid på at minimere tiden og investeringen til at komme fra bænk til seng, siger Herr. At starte en virksomhed er en måde at øge denne effektivitet på. Og den er ideel til lidenskab: Opfindere bekymrer sig bare meget om deres opfindelser, og den passion og engagement fremmer kommerciel fremgang.

Dagens BiOM-system har gennemgået mere end 20 iterationer, finansieret af omkring 50 millioner dollars i risikovillig kapital og tilskud - og virksomheden bliver ved med at designe og innovere. Ikke alene forbedres BiOM-ankelsystemet måned for måned, år for år, men virksomheden planlægger også at lancere yderligere bioniske produkter i rummet for at yde assistance til et større antal mennesker, siger Herr.

Slidgigt, humanoidt design og personlig bionik

BiOMs bredere mål er at forebygge dyre tilstande som slidgigt. Efterhånden som vi bliver ældre, får tabet af hurtige muskelfibre og overdreven kraft ankel- og lægmusklerne til at miste kraft, hvilket forårsager smertefulde ledlidelser, såsom knæartrose og lænderygsmerter - delvist forårsaget af akavede, haltende gangarter. På tværs af den ældre befolkning er ledslidgigt en førende årsag til bevægelseshæmning.

I det mindste blandt amputerede, siger Herr, kunne BiOM hjælpe ved at tilpasse ældre befolkningsgrupper med benproteser, der i biomekanisk smidighed og kontrol svarer til en ung voksens ben: Vi befinder os i en position, hvor vi kan sætte 18-årige lægmuskler på patienterne uafhængigt. af deres alder, hvilket mindsker problemet med ledslidgigt på tværs af alle populationer, siger Herr.

Ved at fremme proteser, siger Herr, kan teknologien også føre til innovation på et nært beslægtet område: humanoid robotik. Forestil dig en fremtid, hvor vi vil have bioniske fødder, ankler, knæ og hofter, der er teknologisk optimale. Man kunne bare bolte disse stykker sammen for at producere en humanoid hardwareplatform, siger Herr.

Men i sidste ende sigter arbejdet i både BiOM og Herrs gruppe på MIT, siger han, mod at hjælpe med at revolutionere ideen om personlig bionik, og udviske grænserne mellem elektromekanik og den menneskelige krop. For eksempel arbejder hans MIT-gruppe blandt andet på bioniske lemmer, der kan kontrolleres af sindet og knyttes til kroppen.

Efterhånden som vi går ind i dette århundrede, vil teknologien blive mere intim med vores kroppe, siger Herr. Den bioniske designtilgang er funderet i biologisk videnskab, der søger grundlæggende at forstå, hvordan vores kroppe og hjerner fungerer, og omsætter den viden til teknologi, der afspejler disse principper, hvilket fører til en verden, hvor teknologi, fordi den er så medfødt menneskelig, i det væsentlige forsvinder.

skjule