Nová bionika, ktorá nám umožni behať, liezť a tancovať

Hugh Herr vyvíja a stavia bionické končatiny budúcej generácie, robotickú protetiku, ktorá je inšpirovaná prírodným dizajnom. Herr prišiel o nohy pri horolezeckom nešťastí pred tridsiatimi rokmi. Teraz, ako šéf Biomechatronickej skupiny laboratórií na MIT predvádza neuveriteľnú technológiu v prednáške, ktorá je aj technická aj hlboko osobná – s Adrianne Haslet-Davis, tanečníčkou spoločenských tancov, ktorá prišla o nohu v roku 2013 pri bostonskom bombovom útoku, a pri prednáške po prvýkrát zase tancuje.

Hlbokým pohľadom do prírody

cez zväčšovacie sklo vedy,

dizajnéri čerpajú základy,

procesy a materiály,

ktoré formujú úplnú podstatu
dizajnérskej metodiky,

od syntetických konštrukcií,
ktoré pripomínajú

biologické materiály,

až po výpočtové metódy, ktoré
napodobňujú nervové procesy,

a tak príroda poháňa tvorbu dizajnu.

A dizajn poháňa prírodu.

V kráľovstve genetiky,
regeneračnej medicíny

a syntetickej biológie

dizajnéri vyvíjajú neobvyklé technológie,

v prírode úplne netušené.

Bionika skúma súhru

medzi biológiou a dizajnom.

Ako vidíte, moje nohy sú bionické.

Dnes budem rozprávať ľudské príbehy

bionického spojenia,

ako elektromechanika pripojená k telu

a implantovaná do tela

začína premosťovať rozdiel

medzi invaliditou a funkčnosťou,

medzi ľudskými hranicami

a ľudskými možnosťami.

Bionika definovala moje fyzické bytie.

V roku 1982 som prišiel o obe moje nohy

kvôli poškodeniu tkaniva
spôsobeného omrzlinami,

ktoré som si spôsobil
počas horolezeckého nešťastia.

V tom čase som nepovažoval svoje telo

za poškodené.

Zdôvodňoval som si to tým,
že ľudská bytosť

sa nikdy nemôže poškodiť.

Technológia sa môže poškodiť.

Technológia môže byť nedostatočná.

Táto jednoduchá, avšak silná, myšlienka

stála za volaním do zbrane

k posunutiu technológie,

ktorá by eliminovala moje vlastné
telesné obmedzenie,

a nakoniec aj telesné
obmedzenia ostatných.

Začal som vývojom
špecializovaných končatín,

ktoré mi dovolili návrat

do vertikálneho sveta skalolezectva.

Rýchlo som pochopil,
že umelá časť môjho tela

je prispôsobivá,

schopná niesť akúkoľvek
formu alebo funkciu,

úplne nová, nepopísaná vec,
cez ktorú by sa možno dali vytvoriť

konštrukcie, ktoré by mohli prekonať

biologické schopnosti.

Mohol som meniť svoju telesnú výšku.

Od 150 cm až po výšku, akú som chcel.

(smiech)

A tak, keď som sa cítil zle

a neisto, zdvihol som svoju výšku,

ale keď som sa cítil sebaisto a dokonalo,

zrazil som svoju výšku na minimum,

aby som dal konkurencii nejakú šancu.

(smiech) (potlesk)

Zúžené, klinovité chodidlá,
mi umožnili liezť

po strmých skalnatých puklinách,

do ktorých by sa ľudské
chodidlo nedostalo,

a mačacie chodidlá mi umožnili liezť

na kolmé ľadové steny

bez pocitu svalovej únavy.

Pomocou technologických inovácií

som sa vrátil k môjmu športu
silnejší a lepší.

Technológia vymazala
moje telesné obmedzenie

a umožnila mi nové lezecké zručnosti.

Ako mladý muž som si
predstavoval budúcnosť,

kde je technológia taká pokročilá,

že dokáže zbaviť telesných obmedzení,

svet, v ktorom neurálne implantáty umožnia

zrakovo postihnutým vidieť,

svet, kde paralizovaní budú chodiť

pomocou telesných exoskeletov.

Nanešťastie, pre nedostatky v technológii

sú postihnutia vo svete hojne rozšírené.

Tomuto pánovi chýbajú tri končatiny.

Ako svedectvo súčasných technológií

vidíme, že nie je pripútaný na vozík,

ale musíme sa v bionike viac snažiť,

aby sme raz dosiahli pre ľudí
s týmto stupňom poranenia

úplnú rehabilitáciu.

V laboratóriách MIT sme vytvorili

Centrum pre extrémnu bioniku.

Úlohou tohoto centra je

podporiť základnú vedu

a technologické vybavenie,
ktoré by umožnilo

biomechanické a regeneratívne opravy ľudí,

v širokom rozsahu

mozgových a telesných poškodení.

Dnes vám ukážem, ako pracujú moje nohy,

ako fungujú,

ako príklad práce tohoto centra.

Uistil som sa, že som
si včera večer oholil nohy,

pretože som vedel,
že sa tu budem predvádzať.

Bionika vyžaduje inžinierstvo
extrémnych rozhraní.

V mojich bionických končatinách
sú tri extrémne rozhrania:

mechanické, teda ako
sú končatiny pripojené

k môjmu biologickému telu;

dynamické, napodobenie
pohybu mäsa a kostí,

a elektronické, komunikácia s mojím

nervovým systémom.

Začnem s mechanickým rozhraním.

V tejto oblasti dizajnu ešte stále nevieme

ako pripojiť zariadenia mechanicky k telu.

Je pre mňa mimoriadne, že v dnešnej dobe

jedna z najstarších
a najvyspelejších technológií

v ľudskej histórii, topánka,

nám stále vie spôsobiť pľuzgiere.

Ako je to možné?

Nemáme ani tušenie,
ako pripojiť veci k našim telám.

To je nádherne lyrická, dizajnérska práca

profesorky Neri Oxman,
z laboratórií na MIT,

ukazujúca exoskelet, ktorého celkový
odpor sa priestorovo mení,

ako tu ukazuje farebná variácia modelu

vytvoreného v 3D tlačiarni.

Predstavte si budúcnosť, kde oblečenie

bude pevné alebo jemné tam,
kde to budete potrebovať,

vtedy, keď to budete potrebovať,
pre optimálnu podporu a všestrannosť,

bez akéhokoľvek pocitu nepohodlia.

Moje bionické nohy sú pripojené
k môjmu biologickému telu

cez syntetickú pokožku,

s premennou tvrdosťou,

ktorá kopíruje moje základné
biomechanické tkanivá.

Aby sme dosiahli presné kopírovanie,

vyvinuli sme najskôr matematický model

mojej biologickej nohy.

Na tomto konci, sme použili
zobrazovací nástroj ako je MRI,

aby sme nahliadli do môjho tela

a zistili presnú geometriu a umiestnenie

jednotlivých tkanív.

Použili sme aj robotické nástroje.

Toto je 14-členný kruhový mechanizmus,

ktorý obkolesuje biologickú končatinu.

Aktivátory sa posunú do vnútra,
vymedzia povrch mojej končatiny,

zamerajú jej nezaťažený tvar,

a potom zatlačia na tkanivá,

aby zmerali poddajnosť tkanív

v každom anatomickom bode.

Spojíme tieto zobrazovacie
a robotické dáta

a vytvoríme matematický opis

mojej biologickej končatiny, vľavo.

Vidíte skupinu bodov alebo uzlíkov.

Každý uzlík je vo farbe,
ktorá reprezentuje poddajnosť tkaniva.

Podľa toho urobíme
matematickú transformáciu

pre dizajn syntetickej kože,

obrázok napravo,

a zistili sme, že je optimálne

keď tam, kde je telo pevné,
syntetická koža by mala byť mäkká,

a tam, kde je telo mäkké,
tak je syntetická koža pevná,

a toto zrkadlové obrátenie funguje

v poddajnosti všetkých tkanív.

V rámci tohoto poznania,

vyrábame bionické končatiny,

ktoré sú tie najpohodlnejšie,
aké som mal kedy na sebe.

Je jasné, že v budúcnosti

naše oblečenie, naše topánky,
naše ramenné podpery,

alebo naše protézy nebudú už vyvíjané

a vyrábané pomocou remeselnej činnosti,

ale skôr dátami poháňané,
kvantitatívne koncepcie.

V takej budúcnosti nám naše topánky

už nikdy nespôsobia pľuzgiere.

Darí sa nám tiež vkladať citlivé
a inteligentné materiály

do syntetickej pokožky.

Toto je materiál

vyvinutý v SRI International v Kalifornii.

Mení svoju pevnosť pomocou
elektrostatického efektu.

Pri nulovom elektrickom napätí
je materiál poddajný.

Je pružný ako papier.

Keď stlačíme tlačidlo a pustíme napätie,

materiál stvrdne ako doska.

Vložili sme tento materiál
do syntetickej kože,

ktorá pripája moju bionickú
končatinu k môjmu biologickému telu.

Keď sa tu prechádzam,

nie je tam žiadne elektrické napätie.

Moje rozhranie je jemné a poddajné.

Pri stlačení tlačidla
a pod vplyvom napätia

rozhranie stvrdne,

a tým mi ponúkne väčšiu manévrovateľnosť

na bionickej končatine.

Staviame tiež exoskeletony.

Tento exoskelet tuhne a mäkne

práve v správnych momentoch
bežeckého cyklu,

aby šetril biologické kĺby

pred vysokou záťažou a degeneráciou.

My všetci budeme v budúcnosti
nosiť exoskelety

pri bežných aktivitách ako je beh.

Poďme ďalej, Dynamické rozhranie.

Ako je možné, že moje bionické končatiny
sa pohybujú ako z mäsa a kostí?

V laboratóriách MIT skúmame ľudí

s normálnou fyziognómiou
postoja, chôdze a behu.

Ako fungujú svaly

a ako sú kontrolované miechou.

To, čo staviame,
je motivované základnou vedou.

Konštruujeme bionické členky,
kolená a bedrá.

Vyrábame telesné časti úplne od podlahy.

Bionické končatiny, ktoré mám na sebe,
sa volajú BiOMs.

Prispôsobili ich
pre takmer 1000 pacientov,

400 z nich boli poranení americkí vojaci.

Ako to funguje?

Pri simulácii chôdze, pri dotyku päty
na povrch systém kontroluje tvrdosť,

aby došlo k zoslabeniu
šoku z nárazov končatiny na zem.

V strednej fáze kroku,
bionická končatina vyprodukuje

vysoko točivý moment
a zosilní dvihnutie človeka

pri prechádzkovom kroku,

porovnateľný s tým, ako pracujú svaly
v lýtkovej oblasti.

Tento bionický pohon je klinicky
veľmi dôležitý

pre pacientov.

Naľavo vidíte bionické zariadenie

nasadené na pani –

napravo tá istá pani
s pasívnym zariadením,

ktoré nedokáže napodobovať
funkciu svalov –

umožňujúci jej robiť niečo,

čo by mal zvládnuť každý,

vstať a chodiť doma
hore a dole po schodoch.

Bionika tiež umožňuje
mimoriadne atletické kúsky.

Tu vidíme pána,
ako beží do kopca po kamennom chodníku.

Je to Steve Martin (ale nie ten komik),

ktorý prišiel o nohy
pri bombovom výbuchu v Afganistane.

Konštruujeme tiež exoskeletové časti,

ktoré používajú také
isté princípy ako svaly,

ktoré obaľujú biologickú končatinu.

Tento pán nemá žiadne

poškodenie nôh alebo invaliditu.

Má normálnu fyziológiu,

takže exoskelety dodávajú

točivé momenty a sily,

takže jeho vlastné svaly
nemusia prispievať

týmito momentami a silami.

Toto je prvý exoskelet v histórii,

ktorý rozširuje možnosti ľudskej chôdze.

Závažnou mierou znižuje
energetickú náročnosť.

Toto rozšírenie je natoľko hlboké,

že ak normálny, zdravý človek,

ktorý používa toto zariadenie 40 minút

a potom ho vyzlečie,

jeho vlastné biologické nohy

sa mu zdajú smiešne ťažké a zvláštne.

Sme na prahu doby, v ktorej

nás stroje pripojené na naše telá

urobia silnejšími, rýchlejšími

a výkonnejšími.

Poďme k elektronickému rozhraniu,

ako moje bionické končatiny komunikujú

s mojím nervovým systémom?

Na zvyškoch mojich nôh sú elektródy,

ktoré merajú elektrické pulzy
mojich svalov.

Tie sa prenášajú do bionických končatín,

takže keď myslím na pohyb
mojej fantómovej končatiny,

robot vysleduje tieto pohybové túžby.

Tento diagram ukazuje princíp,

ako je bionická končatina riadená,

takže vymodelujeme chýbajúcu
biologickú končatinu

a objavili sme, ktoré reflexy vznikajú,

a ako reflexy z miechy

riadia svaly,

a táto schopnosť je vložená

do čipov v bionickej nohe.

A teda robíme to, že prispôsobujeme

citlivosť reflexu,

sformovaný reflex miechy,

s neurónovým signálom,

takže keď uvoľním svoje svaly
na zvyšku nohy,

dostávam veľmi málo momentu aj sily,

ale ak napnem svaly poriadne,

dostanem poriadnu dávku
silového momentu

a môžem dokonca aj bežať.

A to bola prvá demonštrácia

bežeckého kroku pod neurónovým vedením.

Je to úžasný pocit.

(potlesk)

My ale chceme ísť o krok ďalej.

Chceme uzavrieť okruh

medzi ľudskou a bionickou končatinou.

Prevádzame experimenty,
kde pestujeme nervy,

prerušené nervy,

pomocou kanálov
alebo mikrokanálových lúčov.

Na druhej strane kanálu

je nerv pripojený na bunky,

bunky kože a svalové bunky.

V motorických kanáloch dokážeme cítiť,

ako sa chce človek pohybovať.

A to môžeme poslať bezdrôtovo
do bionickej končatiny,

a následne senzory na bionickej končatine

môžu byť prevedené na stimuláciu

v priľahlých kanáloch,
v senzorových kanáloch.

Takže keď toto plne vyvinieme

pre ľudské použitie,

ľudia ako ja nebudú mať len

syntetické končatiny, ktoré
sa pohybujú ako mäso a kosti,

ale ktoré aj na pocit budú
ako mäso a kosti.

Toto video ukazuje Lisu Mallette

krátko po tom, ako jej boli
prispôsobené dve bionické končatiny.

Veru tak, bionika závažným spôsobom

mení životy ľudí.

(video) Lisa Malette: Preboha.

Preboha, nemôžem tomu uveriť.

Ako by som mala skutočnú nohu.

Teraz len nezačať bežať.

Muž: Otoč sa

a rob to isté pri chôdzi hore.

Choď hore, päta-prsty,

akoby si kráčala po rovnej ploche.

Skús prejsť to stúpanie,

Lisa: Preboha.

Muž: Posúva ťa to hore?

Lisa: Áno! Ani neviem –
nie som ani schopná to popísať.

Muž: Posúva ťa to do kopca.

Hugh Herr: Budúci týždeň
navštívim centrum –

(potlesk) Ďakujem, ďakujem.
Ďakujem vám.

Na budúci týždeň navštívim

Centrum pre zdravotnícku starostlivosť
a centrum pre zdravotnícke služby

a pokúsim sa presvedčiť túto organizáciu,

aby mi pridelili grant
na vhodný kódovací jazyk a ocenenie,

aby sa táto technológia sprístupnila

pre pacientov, ktorí to potrebujú.

Ďakujem. (potlesk)

Veľmi sa o tom nehovorí,
ale viac ako polovica

svetovej populácie

trpí nejakou formou

poznávacej, senzorickej alebo
motorickej poruchy,

a príliš často z dôvodu
nedostatočnej technológie,

tieto poruchy vedú k invalidite

a k horšej kvalite života.

Základná úroveň fyziologických funkcií

by mala byť súčasťou ľudských práv.

Každý človek by mal mať právo

žiť svoj život bez obmedzení

ak si tak zvolí –

právo žiť bez ťažkých depresií,

právo vidieť svojich milovaných,

ak ide o prípad poškodeného zraku,

alebo právo chodiť či tancovať

v prípade paralýzy

alebo v prípade amputácie.

Ako spoločnosť môžeme dosiahnuť
takéto ľudské práva,

ak prijmeme predstavu,

že ľudské bytosti nemôžu byť postihnuté.

Človek sa nikdy nemôže pokaziť.

Naše vystavané prostredie,
naše technológie,

sú pokazené a nefunkčné.

My ľudia nemusíme akceptovať
naše obmedzenia,

ale môžeme prekročiť obmedzenia

pomocou technologických inovácií.

Je to tak, malými, základnými pokrokmi

v bionike v tomto storočí

položíme technologické zásady

pre zlepšené ľudské zážitky

a ukončíme invaliditu.

Chcel by som skončiť s jedným príbehom,

nádherný príbeh,

príbeh Adrianne Haslet-Davis.

Adrianne prišla o ľavú nohu

pri bostonskom teroristickom útoku.

Stretol som sa s Adrianne,
ako vidíte na fotke,

v nemocnici Spaulding Rehabilitation.

Adrianne je tanečníčka
spoločenských tancov.

Tanec je pre Adrianne celý život.

Ako ona hovorí, je to jej forma umenia.

Prirodzene, keď prišla o nohu

pri bostonskom teroristickom útoku,

chcela sa vrátiť na tanečný parket.

Po našom stretnutí, keď som
šoféroval domov,

pomyslel som si, som profesor na MIT.

Mám na to zdroje,
postavme bionickú končatinu,

ktorá jej umožní návrat
k životu tanečníčky.

Zhromaždil som na MIT
vedcov špecializovaných

v protetike, robotike,
inteligentných strojoch

a biomechanike

a počas 200-dňového obdobia

sme skúmali tanec.

Priviedli sme tanečníkov
s biologickými končatinami

a skúmali sme, ako sa pohybujú,

aké sily uplatňujú na tanečnom parkete,

vzali sme tieto dáta

a zverejnili sme základné princípy tanca,

reflexívne tanečné schopnosti,

a vložili sme túto inteligenciu

do bionických končatín.

Bionika nie je len o tom, že robí ľudí

silnejšími a rýchlejšími.

Naše vyjadrovanie, naša ľudskosť

môže byť zavedená do elektromechaniky.

3 a pol sekundy,

toľko ubehlo medzi výbuchmi

pri bostonskom teroristickom útoku.

Za tejto 3,5 sekundy
kriminálnici a zbabelci

ukradli Adrianne jej tanečný parket.

My sme jej ho za 200 dní vrátili.

Nenecháme sa zastrašiť a zraziť na kolená,

ponížiť alebo zastaviť

násilnými činmi.

(potlesk)

Dámy a páni,
dovoľte, aby som vám predstavil

Adrianne Haslet-Davis,

jej prvé vystúpenie od útoku.

Tancuje s Christianom Lightnerom.

(potlesk)

(hudba: Ring My Bell,
spieva Enrique Iglesias)

(potlesk)

Dámi a páni,

členovia výskumného tímu,

Elliott Rouse a Nathan Villagaray-Carski.

Elliott a Nathan.

(potlesk)