Передовая бионика позволяет бегать, покорять горы и танцевать

Хью Герр создаёт новое поколение бионических конечностей — роботизированных протезов, вдохновлённых природными моделями. Тридцать лет назад Герр потерял обе ноги из-за несчастного случая во время горного восхождения. Сейчас, будучи руководителем группы по биомехатронике в «Медиа Лаб» при Массачусетском технологическом институте (MIT), он показывает невероятные технологии в выступлении, полном одновременно технических и очень личных подробностей; ему поможет исполнительница бальных танцев Адрианна Хаслет-Дэвис: она потеряла левую ногу в теракте во время Бостонского марафона в 2013 г., а теперь, на сцене TED, она впервые будет снова танцевать.

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)