Bionische enkel 'emuleert de natuur'

Tegenwoordig krijgt Hugh Herr, universitair hoofddocent mediakunsten en -wetenschappen aan het MIT, dagelijks ongeveer 100 e-mails van mensen over de hele wereld die geïnteresseerd zijn in zijn bionische ledematen.

Berichten stromen binnen van geamputeerden die op zoek zijn naar protheses en van media die interviews afnemen. Dan zijn er studenten die zich willen aansluiten bij de onderzoeksgroep van Herr. De technologie inspireert jonge mensen om het veld in te gaan, wat prachtig is, zegt Herr.

Het is een teken van het baanbrekende werk dat Herr de afgelopen twee decennia heeft gedaan in het MIT Media Lab. Herr is zelf geamputeerd en heeft bionische beenprothesen ontworpen (en gedragen) die, zegt hij, de natuur nabootsen - de functies en kracht van biologische knieën, enkels en kuiten nabootsen.

Vorige maand haalde Herr's TED-talk de krantenkoppen, toen Adrianne Haslet-Davis, een professionele danseres wiens been gedeeltelijk was geamputeerd na de bomaanslagen op de Boston Marathon in 2013, een van zijn prothesen gebruikte om op het podium te rumbaen.

Foto: Bryce Vickmark

De meeste van deze prothesen hebben de wereld bereikt via Herr's startup, BiOM (oorspronkelijk genaamd iWalk). Sinds 2010 heeft het bedrijf 's werelds eerste bionische voet- en kuitsysteem aan meer dan 900 patiënten wereldwijd gebracht, waaronder zo'n 400 oorlogsveteranen.

Het is altijd goed om iets te ontwerpen dat mensen zullen gebruiken. Het is geweldig om de wetenschap te bedrijven, ja, maar het is ook geweldig om te zien dat de mensheid iets gebruikt dat ze hebben uitgevonden, zegt Herr, eraan toevoegend: Technologie vertalen buiten het laboratorium houdt ingenieurs eerlijk.

Oorspronkelijk ontwikkeld door de onderzoeksgroep van Herr, simuleert de prothese van BiOM, het BiOM T2-systeem genaamd, een biologische enkel (en verbonden kuitspier), waardoor een natuurlijke enkelfunctie wordt geleverd tijdens passen.

Met behulp van batterijaangedreven bionische voortstuwing passen twee microprocessors en zes omgevingssensoren de stijfheid, het vermogen, de positie en de demping van de enkel duizenden keren per seconde aan op twee belangrijke posities: ten eerste regelt het systeem bij hielcontact de stijfheid van de enkel om schokken te absorberen en duw het scheenbeen naar voren. Vervolgens genereren algoritmen een fluctuerend vermogen, afhankelijk van het terrein, om een ​​drager omhoog en naar voren te stuwen.

Bij het aanpassen van de prothese aan patiënten kunnen prothesemakers de juiste stijfheid en kracht programmeren in alle stadia van een gang, met behulp van software die is ontwikkeld door de Herr-groep - een proces dat het bedrijf Personal Bionic Tuning noemt.

Het systeem herstelt onder andere het natuurlijke looppatroon, het evenwicht en de snelheid; verlaagt gewrichtsspanning; en vermindert drastisch de tijd die nodig is om aan de prothese te acclimatiseren (wat bij conventionele modellen weken of maanden kan duren). Vaak loopt binnen enkele minuten een patiënt rond, of rent zelfs rond, zegt Herr, Chief Technology Officer van BiOM.

Het systeem, zegt Herr, kan ook helpen bij het voorkomen van artrose, een gewrichtsaandoening veroorzaakt door leeftijd en beenbelasting, door kuit- en enkelkracht en ondersteuning te bieden, zelfs op oudere leeftijd.

Van bank naar bed gaan

Gedurende de jaren negentig en het begin van de jaren 2000 begon Herr, die beide benen verloor na een klimongeval in 1982, de tekortkomingen van conventionele prothesen te onderzoeken en wiskundig te modelleren hoe het enkelgewricht werkt tijdens het lopen.

De enkel verstijft onder andere en zorgt voor voortstuwing (in het achterste been) tijdens het lopen, waardoor de impact op het leidende been wordt verminderd en de belasting van de beengewrichten en de rug wordt verminderd. Wanneer geamputeerden conventionele prothesen dragen - die afhankelijk zijn van veren of hydraulica en niet meer energie afgeven dan ze absorberen - lopen ze langzamer, verbruiken ze meer metabolische energie en ervaren ze meer musculoskeletale stress, wat artrose van de gewrichten veroorzaakt.

Het wetenschappelijke en technische onderzoek dat uiteindelijk leidde tot de huidige BiOM-prothese, werd uitgevoerd door de onderzoeksgroep van Herr binnen het MIT Media Lab. Sinds 2003 heeft de groep veel prothetische prototypen ontworpen en gefabriceerd om hypothesen over mens-machine-interactie te testen. Verschillende hiervan - prototypeontwerpen met zichtbare mechanische onderdelen en lusdraden - zijn permanent tentoongesteld in het MIT Media Lab.

Nog steeds kan Herr zich herinneren dat hij voor het eerst in het eerste bionische beenprototype van de groep stapte - en vervolgens terug naar een traditionele prothese.

Het was net zo diep als wanneer je door het vliegveld loopt en je op het rolpad komt. Als je uitstapt en weer normaal loopt, denk je: 'Wandelen is echt inspannend en langzaam', zegt hij. Zo was het om van ons aangedreven systeem naar passieve conventionele systemen te gaan. Dus ik wist dat er klinisch magie was.

Herr's ervaring met het commercialiseren van een computergestuurd kniegewricht — ontworpen door zijn groep voor het IJslandse bedrijf Ossur — inspireerde hem om in 2006 iWalk te lanceren. De knie, die nu door duizenden patiënten over de hele wereld wordt gebruikt, maakt gebruik van ijzerdeeltjes die in olie tussen stalen platen zijn gesuspendeerd en worden gemanipuleerd. door een elektromagnetisch veld om ofwel te verstijven of te ontspannen tijdens het lopen van een drager.

Met Ossur was er een forse, tijdrovende overdracht van technologie - maar het lanceren van een MIT-startup zorgde er onder andere voor dat een kerngroep van uitvinders zou blijven om het product te innoveren en te commercialiseren.

Ik denk er altijd over om de tijd en investeringen om van de bank naar het bed te gaan tot een minimum te beperken, zegt Herr. Een bedrijf starten is een manier om die efficiëntie te vergroten. En het is ideaal voor passie: uitvinders geven gewoon veel om hun uitvindingen, en die passie en toewijding zorgen voor commerciële vooruitgang.

Het huidige BiOM-systeem heeft meer dan 20 iteraties ondergaan, gefinancierd met ongeveer $ 50 miljoen aan risicokapitaal en subsidies - en het bedrijf blijft ontwerpen en innoveren. Niet alleen verbetert het BiOM-enkelsysteem maand na maand, jaar na jaar, maar het bedrijf is ook van plan om extra bionische producten in de ruimte te lanceren om een ​​groter aantal mensen te helpen, zegt Herr.

Artrose, humanoïde ontwerp en persoonlijke bionica

Het bredere doel van BiOM is het voorkomen van kostbare aandoeningen zoals artrose. Naarmate we ouder worden, zorgt het verlies van snelle spiervezels en overmatige kracht ervoor dat de enkel- en kuitspieren kracht verliezen, wat leidt tot pijnlijke gewrichtsaandoeningen, zoals artrose in de knie en lage rugpijn - gedeeltelijk veroorzaakt door ongemakkelijke, mank lopen. Bij de oudere populatie is gewrichtsartrose een belangrijke oorzaak van mobiliteitsbeperkingen.

In ieder geval onder geamputeerden, zegt de heer Herr, zou BiOM kunnen helpen door oudere populaties te voorzien van beenprothesen die qua biomechanische behendigheid en controle gelijk zijn aan de benen van een jongvolwassene: we bevinden ons in een positie waarin we 18-jarige kuitspieren op onafhankelijke patiënten kunnen zetten van hun leeftijd, waardoor het probleem van gewrichtsartrose in alle populaties wordt verzacht, zegt Herr.

Door geavanceerdere protheses te ontwikkelen, zegt Herr, kan de technologie ook leiden tot innovatie op een nauw verwant gebied: humanoïde robotica. Stel je een toekomst voor waarin we bionische voeten, enkels, knieën en heupen hebben die technologisch optimaal zijn. Je zou deze stukken gewoon aan elkaar kunnen schroeven om een ​​humanoïde hardwareplatform te produceren, zegt Herr.

Maar uiteindelijk is het werk van zowel BiOM als de groep van Herr aan het MIT, zegt hij, bedoeld om een ​​revolutie teweeg te brengen in het idee van persoonlijke bionica, waardoor de grenzen tussen elektromechanica en het menselijk lichaam vervagen. Zo werkt zijn MIT-groep onder meer aan bionische ledematen die door de geest kunnen worden aangestuurd en aan het lichaam kunnen worden vastgemaakt.

Naarmate we deze eeuw naderen, zal technologie intiemer worden met ons lichaam, zegt Herr. De bionische ontwerpbenadering is gebaseerd op biologische wetenschap die fundamenteel probeert te begrijpen hoe ons lichaam en onze hersenen werken, en die kennis vertaalt in technologie die die principes weerspiegelt, wat leidt tot een wereld waar technologie, omdat het zo aangeboren menselijk is, in wezen verdwijnt.

zich verstoppen