211service.com
The Body Electric
Ubehagelige sko. Akavede krykker. Smertefulde kunstige lemmer. Når teknologi møder biologi, er grænsefladen sjældent fejlfri - og enhederne hindrer ofte de kroppe, de skal hjælpe. Hugh Herr, SM '93, mener, at teknologer kan gøre det bedre. Herr, som er lektor i mediekunst og -videnskab og leder af Biomechatronics Group i MITs Media Lab, bygger sofistikerede enheder, der hjælper menneskelig bevægelse ved at efterligne naturen.
I marts holdt Herr en overskrift TED talk om arbejdet i sit laboratorium for at skabe en speciel protese, der gjorde det muligt for Adrianne Haslet-Davis, en danserinde, hvis ben blev delvist amputeret efter Boston Marathon-bomberne i 2013, at udføre en rumba for publikum. Men mere end at fremhæve et enkelt projekt, inviterede Herrs foredrag offentligheden ind i hans større vision: en verden, hvor teknologi sletter handicap, og hvor de syntetiske og biologiske verdener smelter sammen.
Det er usædvanligt at finde en forsker, hvis arbejde og personlige historie er så sammenflettet, og ikke kun fordi Herr, der selv er dobbelt amputeret, nu går på bioniske ben, som hans laboratorium har designet. Som både klatrer og bruger af proteser har Herr direkte erfaring med frustrerende dårlige protesedesigns - og en atlets beslutsomhed til at overvinde dem. Hans laboratorium arbejder på at forstå de tricks, den menneskelige krop bruger til at bevæge sig effektivt, og derefter oversætte den viden til robot-enheder, der ikke kun kan genoprette funktionen til dem, der har mistet den, men som forbedrer normale menneskelige evner.
Forestil dig 50 år fra nu, med virkelig avancerede bioniske teknologier, [hvis] du vil have en tredje arm, kan du have en tredje arm, siger han. Det er sejt .
En omdirigeret passion
Herr, 50, beskriver sig selv som en fokuseret person, og han taler med en højtidelighed, der gør det nemt for folk at savne hans tørre humor. Da han var ung, var det intense fokus rettet mod én ting: klatring. Mit enestående mål var at være den bedste klatrer i verden, siger han. Hans akademiske interesser var, indrømmer han gerne, ikke-eksisterende. I 1982, da han var 17, blev Herr og en ven fanget i en snestorm, mens de besteg Mount Washington i New Hampshire. De var strandet i tre nætter, før de blev reddet; en mand, der forsøgte at redde dem, døde. Herrs forfrosne ben blev amputeret under knæene.
Det er alarmerende for enhver person, der først modtager et kunstigt lem, hvor lavteknologisk og arkaisk teknologien er - helt sikkert dengang, siger han. Hans første proteser var midlertidige med gipsfatninger, og han blev bedt om ikke at gå uden krykker eller anden støtte: gipsen ville splintre under hans fulde vægt. Senere fik han permanente proteser af træ, gummi og plastik, men de var stive og smertefulde.
Alligevel fandt Herr ud af, at han stadig kunne udmærke sig i bjergklatringens vertikale verden. I gymnasiet havde han uddannet sig i værktøjs- og matricebearbejdning på en fagskole; kort efter hjemkomsten fra hospitalet etablerede han et værksted i garagen og satte disse færdigheder i gang med at designe og bygge sine egne proteser til klippe- og isklatring. Klatring er en sport, hvor den typiske menneskekrop kan føles akavet, hvilket enhver, der har forsøgt at balancere på et lille fodfæste eller kile en fod ind i en revne, kan bevidne. Så Herrs design lignede slet ikke fødder. Jeg opgav hurtigt denne forestilling om, at protesen skal ligne et menneskeligt lem, og jeg begyndte at tænke: hvad er optimalt, hvad er bedst for funktionen? han siger. Han skabte små fødder, der kunne balancere på en hvisketynd afsats, og økse-lignende klinger, der kunne passe ind i en revne.
Snart nok begyndte Herr at bestige hårdere ruter, end han havde mestret før ulykken. Det var dybt inspirerende, siger han. Jeg havde aldrig værdsat teknologiens evne til at ændre et individs liv så hurtigt. Den åbenlyse karrierevej, han kunne have taget, som arbejde i sin fars husbyggeri, var ikke længere en mulighed for ham, og han havde nu en egeninteresse i at gøre kunstige lemmer bedre. Så selvom Herr aldrig havde tænkt sig at gå på college, besluttede han et par år efter sin ulykke at give det en chance, idet han fik en bachelorgrad i fysik ved Millersville University i Pennsylvania i en alder af 25. Det erstattede min passion for klatring, siger han. På to år gik jeg fra ikke at kunne tage 10 procent af hundrede til at studere kvantemekanik på kandidatniveau. Mens han var i Millersville, fik han også sit første patent på en protesefatning designet med væskeblærer for bedre komfort.
Efter endt uddannelse kom Herr til MIT, hvor han afsluttede en kandidatgrad i maskinteknik i 1993. Hans specialeprojekt involverede den usædvanlige idé at udvikle en elastisk dragt for at gøre vertikal klatring lettere: bevægelsen med at række op for at gribe et håndtag strækker elastikken , og dens lagrede energi bruges derefter til at hjælpe den mere trættende bevægelse med at trække kroppen opad. Hans laboratorium arbejder stadig på ideen i dag. Til sin ph.d. i biofysik ved Harvard udviklede han en numerisk model til at beskrive, hvordan en hest løber, og etablerede principper for at efterligne den robotisk. Han arbejdede også i MITs Leg Lab, som gjorde fremskridt med at bygge robotter med ben, der kunne gå og løbe. Laboratoriet blev derefter ledet af Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90 (dets grundlægger, Marc Raibert, var allerede taget af sted for at arbejde på fuld tid i det firma, han grundlagde, Boston Dynamics). Da Herr blev færdig, ansatte Pratt ham som postdoc.
Herr arbejdede sammen med Pratt for at udvikle et computerstyret knæled, der bruger en magnetoreologisk væske - en væske, hvis viskositet ændres, når et magnetfelt påføres - til at variere leddets stivhed, når en person går.
Pratt var så imponeret over Herrs arbejde på knæet, som til sidst blev kommercialiseret som Rheo Knee, at han gjorde ham til meddirektør for laboratoriet, selvom Herr kun var en postdoc. Hugh havde en enorm praktisk viden om proteser, han havde en enorm god intuition om kontrol, og han var også meget stærk med hensyn til fysik, siger Pratt, nu programleder hos DARPA. Da Pratt forlod MIT i 2000, overtog Herr laboratoriet, som til sidst blev til Biomechatronics Group inden for Media Lab.
Videnskaben om at gå
Besøgende i Biomechatronics Group, som fylder halvdelen af et stort åbent rum på Media Labs anden sal, kan komme for at se fremtiden for bionikk, men de kommenterer ofte rodet. Laboratoriet, som typisk er spækket med studerende og postdocs, der arbejder på projekter, er overstrøet med computerdele, kaffekopper, ledninger, ruller tape, tilfældigt værktøj og plastikforme af menneskefødder. I midten af rummet er en hævet platform med et løbebånd og et sæt hoftehøje parallelle stænger. Ti kameraer trænet på platformen fanger motivernes bevægelser, mens de løber og går på løbebåndet. Det skyldes, at en vigtig del af laboratoriets arbejde er at beskrive, hvordan den menneskelige krop bevæger sig. At gå, selvom det er en tilsyneladende simpel handling, er stadig stort set mystisk, idet man bruger energi på en meget økonomisk måde, som er svær at genskabe i robotteknologi. Vi forstår ikke helt, hvordan musklerne bliver kontrolleret, hvilket overrasker mange, siger Herr. Selvom forskere har været i stand til at simulere menneskelig gang godt nok til at skabe gårobotter som dem, der blev brugt i DARPAs robotteknologiske udfordring, kræver disse robotter enorme mængder kraft for at gøre, hvad mennesker udretter med utrolig effektivitet og ynde. Det vil tage et par år mere, siger Herr, at forstå at gå godt nok til at programmere robotter og udvikle proteseanordninger, der effektivt replikerer menneskelig funktion.
Disse gang- og løbenheder designet i Herrs laboratorium er forløberne for et system udviklet af hans spin-off-firma BiOM.
Denne videnskab, siger han, er afgørende for design af hardware- og softwarestyringssystemer for bioniske enheder. Daniel Ferris, direktør for Human Neuromechanics Laboratory ved University of Michigan, siger, at Herrs styrke er at kende de biologiske mekanismer og fysiologi og funktion på en måde, som de fleste ingeniører ikke gør. Mens mange ingeniører har bygget robot-enheder til bevægelse, har ingen virkelig matchet Hughs evne til at fusionere biologi med teknik.
Hans laboratoriums arbejde med at modellere det menneskelige ankelled førte i sidste ende til udviklingen af den protese, som Herr bruger i dag, solgt som BiOM T2 af hans startup-firma BiOM (tidligere kaldet iWalk). Det er den første fod- og ankelprotese, der opfører sig, som han udtrykker det, mere som en motorcykel end en cykel, hvilket betyder, at den lægger energi i systemet i stedet for udelukkende at stole på menneskelig kraft.
Ved menneskelig gang bidrager lægmusklen og ankelleddet med mest kraft. BiOM T2 bruger et batteri til at drive et system af mikroprocessorer, sensorer, fjedre og aktuatorer; leddet giver stivhed under et hælslag for at absorbere stød, derefter kraft til at hjælpe med at drive underbenet op og frem under et skridt. Når man mangler den magt, er den væsentlig, siger han. Når du får det tilbage, er det livsændrende.
For at hjælpe Adrianne Haslet-Davis med at optræde, studerede og modellerede Herr menneskedans og omprogrammerede protesen med algoritmer, der ville gøre det muligt for den at udføre de nødvendige rotationer. De har også designet det til at minimere batteriet ved læggen, for at forhindre det i at komme i vejen for dansetrin.
Målet med sådanne anordninger er at gøre proteser mere naturlige og ved at sænke energiomkostningerne ved at gå, reducere ledstress og træthed. Men at bringe bioniske enheder ind i klinikken er ikke let. Bob Emerson, en proteselæge hos A Step Ahead Prosthetics, som hjælper med at forbinde patienter til forskningsprojekter i Herrs gruppe, siger, at det er udfordrende at overtale forsikringsselskaber til at betale for enheder som BiOM. Det er en vidtrækkende teknologisk platform; folk forstår det ikke rigtig godt, siger han. Han siger, at det kræver vision og vedholdenhed at drive store teknologiske innovationer på et så lille og specialiseret marked.
Der er stadig ulemper ved nuværende bioniske designs - ankelproteser som Herrs gennemgår for eksempel en eller to batteriopladninger om dagen - så Herr og hans kolleger arbejder på at gøre proteseanordninger mindre, lettere, støjsvage og mere effektive. De er også involveret i bestræbelserne på at designe mere komfortable stikkontakter til at fastgøre protetiske lemmer til kroppen. Mennesker er bløde og formbare, siger Herr, og vi er ikke statiske; vi ændrer os med tiden, vi svulmer, vi skrumper. Så hvordan man knytter maskinverdenen til det er et rigtig svært problem.
Herr har allerede taget fat på problemet med at give mennesker bedre og mere problemfri kontrol over kunstige lemmer; hans BiOM ankelproteser justerer deres drejningsmoment og kraft som reaktion på muskelsammentrækning. Nu går han et skridt videre og samarbejder med kirurger og andre forskere om måder at tillade bioniske lemmer at blive kontrolleret direkte af nervesystemet, hvilket han håber at demonstrere i et menneske i de næste par år. Mens hjerne-maskine-grænseflader ville kræve invasiv kirurgi for hjerneimplantater, ønsker han at forbinde elektroniske enheder til de perifere nerver på skadestedet, hvilket giver folk mulighed for at kontrollere bioniske lemmer med deres eksisterende nerver og potentielt endda opfatte fornemmelser i lemmerne. Amputation, som i øjeblikket er en ret grov operation, kan blive en sofistikeret procedure til at sætte kroppen op til at interagere med et bionisk lem.
Udvidelse af menneskelig kapacitet
Langs den ene væg i Biomechatronics Group-laboratoriet rummer hylder på hjul, kendt som dessertvognen, en række prototyper af nuværende og tidligere projekter: ankelled, 3-D-printede benfatninger, træfødder og skistøvler, der forbinder med motorer og metal dele. Selvom samlingen af proteser, hans laboratorium allerede har produceret, er imponerende, er Herr ikke tilfreds med blot at genoprette tabte evner. Hans laboratorium arbejder også på teknologier, der kan forbedre den normale menneskelige funktion, så vi kan gå eller løbe hurtigere, bære mere vægt eller lettere klatre. Dessertvognen rummer tidlige designs til bærbare eksoskeletter, der gør det muligt for folk at pendle til arbejde til fods så hurtigt, som de kan på en cykel, eller bære tunge læs uden at blive trætte.
Herr klatrer i Shawangunk, New York, i 1990 iført fodproteser, han havde designet til sit eget brug på klippeflader.
Det er en udfordring at bygge et eksoskelet, der gør bevægelse lettere – enheden skal give en fordel for brugeren, der overstiger byrden ved at bære den. Luke Mooney, en kandidatstuderende i Biomechatronics Group, siger, at mange mennesker tænker på eksoskelet og forestiller sig en Iron Man-stildragt. Men han arbejdede for nylig med Herr på en langt mere minimalistisk tilgang, der udelukkende fokuserede på at give mekanisk kraft til anklen for at reducere den energi, den har brug for til at gå. Deres prototype, en vandrestøvle fastgjort til en bøjle på underbenet og drevet af en bærbar batteripakke, er det første eksoskelet, der faktisk kan sænke de metaboliske omkostninger ved at gå, som vist i en undersøgelse offentliggjort i maj i Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation . Når du trækker stikket ud, føler du pludselig, at dine fødder er klodser af beton, siger Mooney.
Selv med disse succeser er teknologer stadig langt fra at replikere kroppens naturlige evner eller bygge bærbare enheder, der dramatisk kan øge dens evner. Jeg beundrer Hughs kreativitet og unikke tilgang og hans drive, siger Woodie Flowers, SM '68, ME '70, PhD '72, en emeritus professor i maskinteknik, der hjalp med at overvåge Herrs kandidatforskningsarbejde. Men Herr arbejder i et meget komplekst forskningsområde, der involverer et meget intimt forhold mellem et komplekst menneske og en kompleks maskine, påpeger han. Jeg respekterer, hvor svært det er.
Omdefinering af den gode krop
Trods de praktiske udfordringer har Herr en vidtrækkende vision for at sammensmelte teknologi med biologi. Mens nogle forskere og ingeniører slumrer over de sociale implikationer af deres arbejde, er han blevet en åbenhjertig forkæmper for måder, hvorpå teknologi kan forbedre kroppen.
Mange mennesker, der er blevet skadet, ser op til ham for motivation, siger Pratt. En del af den inspiration kommer fra Herrs holdning til proteser. Da han indså, at han kunne klatre med benproteser, begyndte han at fejre dem i stedet for at skjule dem og male dem i lyse farver. I dag bærer han nogle gange bukser, der er skåret af ved knæene, hvilket gør hans proteser synlige.
Herr har aldrig været optaget af at se ud til at have normale ben; ud over at klatre på fødder byggede han sig kunstige lemmer, der tillader ham at være kort eller meget høj. Mange vil gerne camouflere deres proteser, siger han, fordi de forbinder at se normalt ud med at være attraktiv. Jeg lavede ikke forbindelsen, siger han med et grin. Hans følelse af tiltrækning blev formet af klatring; som en atlet følte han altid, at sexethed var bestemt af evner mere end udseende. Jeg er ligeglad med, hvordan du ser ud, siger han. Hvis du ikke er svag - hvis du er det modsatte - er du meget sexet.
Når kunstige lemmer bliver mere kraftfulde og funktionelle, kan de nogle gange opfattes som det modsatte af et handicap. I 1986 blev Herr den anden person til at lave en fri stigning af en 120 fods sprække i staten Washington kaldet City Park, som på det tidspunkt blev betragtet som den hårdeste stigning i landet. Da en anden klatrer besteg den i 2006, blev Herrs præstation diskonteret af et stort klatremagasin, fordi hans benprotese blev set som at give ham en fordel. Han ser paralleller til, hvordan verden reagerede på den olympiske løber Oscar Pistorius, en dobbeltamputeret, der blev anklaget for at snyde, da han brugte sine benproteser til at konkurrere med raske atleter.
Vores kultur er trænet til at tænke på en person med en usædvanlig krop eller sind som svag, siger Herr. Når der ikke er svaghed, når der er en atlet, der faktisk vinder mod den normale krop, opstår der en forvirring.
Han tror på, at ideer om proteser vil ændre sig. Vi er alle så celle- og vævscentrerede, siger han. Vi tror på en eller anden måde, at vores celler er hellige, og at så snart en del af vores krop er lavet af titaniumatomer eller noget, er det mindre menneskeligt - at du ikke kan indlejre menneskeheden i syntetiske materialer. Men han forudsiger, at denne skævhed kun vil vare ved, så længe de genstande, vi knytter til kroppen, er grove, ubehagelige og dårligt ydende. Et kunstigt lem, der ikke forsøger at ligne et menneskeligt lem, kan virke grimt, siger han, men når du tager den samme æstetik, og du gør det yderst funktionelt og kraftfuldt, så bliver [det] spændende og smukt.
Med tiden tror han, at folk vil bekymre sig mindre om, hvad vi er lavet af. Det betyder bare noget, hvad vi er, og hvad vi gør - kvaliteten af vores liv, siger han.