Хью Герр
9,678,054 views • 19:00

Внимательно изучая природу сквозь увеличительное стекло науки, разработчики черпают из неё принципы, процедуры и материалы, которые образуют саму основу методологии проектирования; начиная с синтетических конструкций, напоминающих биологические материалы, и заканчивая вычислительными методами, которые копируют нейронные процессы, природа влияет на проектирование. Проектирование тоже влияет на природу. В областях генетики, регенеративной медицины и синтетической биологии разработчики создают новейшие технологии, не предусмотренные и не предвиденные природой.

В бионике изучается взаимодействие между биологией и проектированием. Как вы видите, у меня бионические ноги. Сегодня я расскажу истории про объединение людей с бионическими устройствами, о том, как электромеханические детали, укреплённые на теле и вживлённые внутрь, начинают уменьшать разницу между ограничениями и возможностями, между пределом возможностей человека и человеческим потенциалом.

Мои физические данные определены бионикой. В 1982 г. мне ампутировали обе ноги из-за повреждения тканей после обморожения, произошедшего во время горного восхождения. В то время я не считал, что моё тело неисправно. Я рассудил, что человека невозможно сломать. Неисправна технология. Технология неполноценна. Эта простая, но действенная мысль послужила призывом к действию, призывом к развитию технологий с целью устранения моей инвалидности и, в конечном счете, инвалидности других людей. Я принялся разрабатывать специализированные протезы, которые позволили бы мне возвратиться в отвесный мир покорения гор и ледников. Я быстро понял, что искусственные части моего тела легко приспосабливаются, могут принять любую форму, выполнять любую функцию; благодаря им можно создать, словно с чистого листа, приспособления, которые помогут выйти за границы естественных возможностей. Я сделал свой рост регулируемым. От полутора метров до желаемой величины. (Смех) Так что, когда я был подавлен, неуверен в себе, я увеличивал рост, но когда я чувствовал себя уверенно и спокойно, я снижал рост до предела, просто чтобы дать конкурентам шанс. (Смех) (Аплодисменты) Благодаря узкой, клиновидной ступне я смог использовать трещины в таких крутых склонах, где ступне человека не хватает места, а ступня с шипами позволила преодолевать вертикальные стены льда, не ощущая в ногах мышечной усталости. Благодаря технологическим новшествам я стал лучше и сильнее в своём виде спорта. Технологии стёрли мою инвалидность и даровали в альпинизме новую степень мастерства. В молодости я представлял такой мир будущего, где благодаря столь развитым технологиям люди смогут избавиться от ограничений, где нейронные имплантанты позволят слабовидящим людям видеть, где парализованные смогут ходить при помощи экзоскелетов.

К сожалению, из-за несовершенства технологий во всём мире очень много инвалидов. У этого мужчины нет трёх конечностей. Об уровне современных технологий свидетельствует то, что он не пользуется коляской, но нам необходимо лучше развивать бионику, чтобы при подобных травмах стало возможным полное восстановление. В «Медиа Лаб» при MIT мы организовали Центр передовой бионики. Призвание Центра — развивать фундаментальную науку и технологические возможности с целью биомеханического и регенеративного исправления широкого круга мозговых и телесных повреждений.

Сегодня я расскажу вам, как устроены мои протезы, как они работают, поскольку для Центра это подходящий пример. Я, конечно, побрил вчера ноги, так как знал, что буду ими хвастаться.

Бионика сопряжена с разработкой новейших узлов связи. В моих бионических ногах три новейших узла связи: механический — для соединения ног с телом; динамический — для движения подобно ногам из плоти и костей; и электрический — для взаимодействия с нервной системой.

Я начну с механического узла связи. В сфере проектирования мы всё ещё не знаем, как механически прикреплять к телу устройства. Я изумлён, что в наше время мы, пользуясь одной из развитых и старейших технологий в истории человечества — обувью — всё ещё страдаем от мозолей. Как такое возможно? Мы не представляем, как прикреплять что-либо к телу. Вот трогательно красивый эскиз профессора Нери Оксман из «Медиа Лаб» при MIT, участки экзоскелета с различным сопротивлением показаны изменениями в цвете на 3D-модели. Представьте будущее, когда одежда будет жёсткой или мягкой — там, где и когда это будет нужно, чтобы лучшим образом обеспечивать поддержку и подвижность, и всё это без причинения неудобства.

Мои бионические ноги прикреплены к телу посредством синтетической кожи, в которой изменения в жёсткости отражают биомеханику подлежащих тканей. Чтобы достичь подобного отражения, мы сначала разработали математическую модель моей ноги. С этой целью мы использовали средства визуализации типа МРТ, что позволило заглянуть внутрь моего тела, чтобы вычислить очертания и расположение различных тканей. Мы также применяли роботизированные инструменты. Вот 14-приводное кольцо, которое устанавливается на ногу. Исполнительные приводы включаются, опускаются на поверхность ноги, измеряют её расслабленную форму, а затем нажимают на ткани, чтобы определить эластичность тканей в каждой анатомической точке. Мы объединили данные от визуализации и исследования роботом и построили математическое описание моей ноги — эскиз слева. Вы видите группы точек, или узлов. В каждом узле цветом показана эластичность ткани. Затем мы математически преобразовали данные в эскиз синтетической кожи, показанный справа, и мы обнаружили, что лучше всего будет, если там, где тело жёсткое, синтетическая кожа будет мягкой, а где тело мягкое, синтетическая кожа будет жёсткой, и такое отражение происходит по всей глубине эластичности тканей. На этой основе мы создали бионические ноги, которые удобнее всех тех, которыми я когда-либо пользовался. Очевидно, что в будущем нашу одежду, обувь, ортезы и протезы будут конструировать и производить не при помощи кустарных технологий, а с применением количественных схем, основанных на данных. В таком будущем мозолей из-за обуви больше не будет.

Мы также добавляем в синтетическую кожу чувствительные и «умные» материалы. Этот материал был разработан некоммерческим исследовательским институтом SRI International, штат Калифорния. Под действием электростатики он меняет жёсткость. При нулевом напряжении он эластичен. Он свисает свободно, как лист бумаги. Кнопка нажата — появляется напряжение, и материал становится жёстким как доска. Мы внедрили этот материал в синтетическую кожу, с помощь которой бионическая нога присоединяется к телу. Когда я иду, напряжения нет. Механический узел связи мягкий и податливый. Кнопка нажата, появляется напряжение — и он твердеет, что даёт мне бо́льшую подвижность бионической ноги.

Мы также создаём экзоскелеты. Экзоскелет становится твёрже или мягче в нужных местах, чтобы во время бега защитить суставы бегуна от сильных ударов и разрушения. В будущем все будут носить экзоскелеты, выполняя вполне обыденные действия — бегая, например.

Итак, теперь о динамическом узле связи. Как бионические ноги двигаются подобно ногам из плоти и костей? В моей лаборатории при MIT мы изучаем, каким образом стоят, ходят и бегают люди с нормальной физиологией. Что делают мышцы, и как они контролируются спинным мозгом? Эти фундаментальные знания влияют на то, что мы разрабатываем. Мы создаём бионические лодыжки, колени и бёдра. Мы создаём части тела с нуля. Бионические ноги, которые я ношу, называются «биомы». Их носят примерно 1 000 пациентов, из них 400 человек — раненые солдаты США.

Как они работают? При ударе пятки, благодаря компьютеру, система определяет уровень жёсткости, чтобы смягчить соприкосновение ноги с полом. В средней позиции бионическая нога прикладывает высокий вращающий момент и приподнимает человека для шага вперёд — это можно сравнить с тем, как работают икроножные мышцы. Этот бионический импульс очень важен для пациентов. Слева вы видите женщину с бионическим протезом, справа — она же с пассивным протезом, который не способен повторить нормальную мышечную деятельность, поэтому женщине не удаётся то, что должно быть доступно каждому: подниматься и спускаться дома по лестнице. Бионика также позволяет рассчитывать на выдающиеся спортивные достижения. Мужчина бежит вверх по каменистой тропе. Его зовут Стив Мартин, это не знаменитый актёр, а солдат, потерявший ноги во время взрыва бомбы в Афганистане.

Мы создаём экзоскелетные устройства, которые работают на тех же самых принципах, что и здоровые ноги. У этого человека нет никаких повреждений в ногах, У него нормальное физическое здоровье, и эти устройства прикладывают такой же вращающий момент, что и мышцы, чтобы его мышцам не надо было прикладывать этих усилий. Это первый в истории экзоскелет, увеличивающий эффективность ходьбы. Благодаря ему снижаются энергетические затраты. Увеличение эффективности столь велико, что когда обычный здоровый человек носит устройство в течение 40 минут, а затем снимает его, то собственные здоровые ноги кажутся ему тяжёлыми и неуклюжими. Мы на пороге эпохи, когда укреплённые на теле механизмы будут делать нас более сильными, быстрыми, а также более умелыми.

Каким образом мои бионические ноги, управляемые электрическим узлом связи, взаимодействуют с моей нервной системой? К остаткам моей ноги прикреплены электроды, которые измеряют электрические мышечные импульсы. Импульсы передаются на бионическую ногу, так что, когда я думаю о том, чтобы пошевелить моей фантомной ногой, робот отслеживает желаемые движения. Эта схема показывает главные моменты управления бионической ногой, так что мы смоделировали отнятую ногу и обнаружили, какие рефлексы задействованы, как рефлексы спинного мозга управляют мышцами, и добавили эту возможность в микросхемы в бионической ноге. Нами была отрегулирована чувствительность рефлекса — смоделированного спинного рефлекса — при помощи сигнала от нервной системы, так что, когда я расслабляю остаток ноги, образуется слабый вращающий момент, но чем сильнее я напрягаю мышцы, тем сильнее вращающий момент, и я даже могу бегать. Это была первая демонстрация бега трусцой по нейронной команде. Ощущения великолепные. (Аплодисменты)

Мы хотим продвинуться ещё дальше. Мы желаем стереть границу между живой и бионической ногой. Мы проводим эксперименты по выращиванию нервов, рассечённых нервов, в каналах, или в лучевых микроканалах. На другой стороне канала нерв присоединяется к клеткам, клеткам кожи и мышц. В двигательных каналах возникает сигнал движения, которое хочет сделать человек. Сигнал посылается по беспроводной связи в бионическую ногу, затем рецепторы на бионической ноге могут преобразовать сигнал в раздражение в соседних каналах, нервных каналах. Когда разработка будет полностью завершена и будет готова для использования, у людей, подобных мне, будут искусственные ноги, которые не только двигаются как настоящие, но и ощущаются живыми.

На этой записи мы видим Лизу Маллетт, недавно вставшую на бионические ноги. В самом деле, благодаря бионике жизнь людей кардинально меняется.

(Видеозапись) Лиза Маллетт: «О боже! О боже, поверить не могу. Словно у меня живая нога. Так, не беги».

Мужчина: «Теперь повернись и точно так же иди в гору. Иди вверх, с пятки на носок, как обычно ходят по ровному участку. Постарайся идти в гору». Лиза: «О боже». Мужчина: «Тебя подталкивает вверх?» Лиза: «Да! Я даже описать этого не могу». Мужчина: «Тебя подталкивает точно вверх».

На следующей неделе я поеду в Центр...

(Аплодисменты) Спасибо, спасибо.

Спасибо всем. На следующей неделе я поеду в Центр «Медикэр и медикейд сервисиз», [подразделение Министерства здравоохранения] и я собираюсь убедить Центр назначить подходящий языковой код и цену, чтобы эта технология стала доступной тем, кому она необходима.

Спасибо всем. (Аплодисменты)

Не все это хорошо понимают, но свыше половины населения всего мира страдает от какого-либо типа расстройства: познавательного, эмоционального, чувствительного или двигательного, и из-за слабой развитости технологий слишком часто расстройство переходит в инвалидность и приводит к ухудшению жизни. Базовые физиологические функции должны стать частью прав человека. У каждого человека должно быть право жить без инвалидности — если они так решат — право жить без жестокой депрессии, право видеть любимых — для слабовидящих; или право ходить и танцевать — для парализованных или потерявших конечности. Всем обществом мы можем добиться этих прав, если примем утверждение, что эти люди не неполноценны. Человека невозможно сломать. Созданное окружение, наши технологии — вот они неисправны и неполноценны. Нам нужно не принимать наши ограничения, а преодолевать их, пользуясь технологическими новшествами. В самом деле, благодаря коренным успехам бионики в этом столетии, мы создадим технологическое основание для усовершенствования человеческого существования и победим инвалидность.

Закончить я бы хотел ещё одной историей, красивой историей, историей Адрианны Хаслет-Дэвис. Адрианна потеряла левую ногу в теракте во время Бостонского марафона. Это фотография с первой нашей встречи в Реабилитационной больнице Сполдинг. Она — исполнительница бальных танцев.

Она живёт танцами. Это её форма самовыражения. Её род искусства. Естественно, после потери ноги в теракте во время Бостонского марафона она захотела вернуться к танцам.

После встречи с ней я ехал домой на машине и думал: «Я — профессор в MIT. У меня есть возможности. Создадим для неё бионическую ногу, что позволит ей вернуться к танцам». Я собрал в MIT учёных, имеющих опыт в протезировании, робототехнике, машинном обучении и биомеханике, и в течение 200-дневного исследования мы изучали танец. Мы пригласили танцоров со здоровыми ногами, и мы изучали, как они двигаются, какие силы прикладывают для движения. Затем мы взяли эти данные, сформулировали основные принципы танца, рефлексивные возможности в танце, и вложили эти данные в бионическую ногу. Благодаря бионике люди не только становятся сильнее и быстрее. Наше самовыражение, наша человеческая суть могут быть вложены в электромеханику.

За 3,5 секунды прогремели взрывы бомб в теракте во время Бостонского марафона. За 3,5 секунды преступники и трусы лишили Адрианну возможности танцевать. Мы вернули ей способность танцевать за 200 дней. Нас не запугать, не сломать, не ослабить, не победить и не остановить никакими насильственными действиями. (Аплодисменты)

Дамы и господа, позвольте представить вам Адрианну Хаслет-Дэвис, она будет выступать впервые после теракта. Она танцует с Кристианом Лайтером

(Аплодисменты)

(Музыка: песня «Ring My Bell», исполнитель — Энрике Иглесиас)

(Аплодисменты)

Дамы и господа, представляю вам членов исследовательской команды: Эллиот Раус и Натан Виллагарей-Карски. Эллиот и Натан.

(Аплодисменты)