211service.com
Het lichaam elektrisch
Ongemakkelijke schoenen. Onhandige krukken. Pijnlijke kunstmatige ledematen. Wanneer technologie biologie ontmoet, is de interface zelden foutloos - en de apparaten belemmeren vaak de instanties die ze zouden moeten helpen. Hugh Herr, SM ’93, gelooft dat technologen het beter kunnen. Als universitair hoofddocent mediakunsten en -wetenschappen en leider van de Biomechatronics Group in het Media Lab van MIT, bouwt Herr geavanceerde apparaten die de menselijke beweging ondersteunen door de natuur na te bootsen.
In maart gaf Herr een headline-grabbing TED-talk over het werk in zijn lab om een speciale prothese te maken waarmee Adrianne Haslet-Davis, een danseres wiens been gedeeltelijk was geamputeerd na de bomaanslagen op de Boston Marathon in 2013, een rumba kon uitvoeren voor het publiek. Maar meer dan een enkel project te belichten, nodigde Herr's toespraak het publiek uit in zijn grotere visie: een wereld waarin technologie handicaps uitwist, en waarin de synthetische en biologische werelden naadloos in elkaar overgaan.
Het is ongebruikelijk om een onderzoeker te vinden wiens werk en persoonlijke geschiedenis zo met elkaar verweven zijn, en niet alleen omdat Herr, zelf een dubbel geamputeerde, nu loopt op bionische benen die zijn laboratorium heeft ontworpen. Als zowel een bergbeklimmer als een gebruiker van prothesen, heeft Herr directe ervaring met frustrerend slechte protheseontwerpen - en de vastberadenheid van een atleet om ze te overwinnen. Zijn laboratorium probeert de trucs te begrijpen die het menselijk lichaam gebruikt om efficiënt te bewegen, en vertaalt die kennis vervolgens in robotachtige apparaten die niet alleen de functie kunnen herstellen van degenen die het verloren hebben, maar ook de normale menselijke capaciteiten verbeteren.
Stel je voor over 50 jaar, met echt geavanceerde bionische technologieën, [als] je een derde arm wilt, dan kun je een derde arm hebben, zegt hij. Dat is cool .
Een omgeleide passie
Herr, 50, beschrijft zichzelf als een gefocust persoon, en hij spreekt met een plechtigheid die het gemakkelijk maakt voor mensen om zijn droge humor te missen. Toen hij jong was, was die intense focus op één ding gericht: klimmen. Mijn enige doel was om de beste klimmer ter wereld te worden, zegt hij. Zijn academische interesses waren, geeft hij grif toe, onbestaande. In 1982, toen hij 17 was, kwamen Herr en een vriend in een sneeuwstorm terecht tijdens het beklimmen van Mount Washington in New Hampshire. Ze waren drie nachten gestrand voordat ze werden gered; een man die hen probeerde te redden stierf. Herr's bevroren benen werden onder de knieën geamputeerd.
Het is verontrustend voor iedereen die voor het eerst een kunstledemaat krijgt hoe low-tech en archaïsch de technologie is - zeker toen, zegt hij. Zijn eerste protheses waren tijdelijke prothesen met gipsen kokers, en hij kreeg de opdracht niet te lopen zonder krukken of andere steun: het gips zou onder zijn volle gewicht versplinteren. Later kreeg hij permanente prothesen van hout, rubber en plastic, maar die waren stijf en pijnlijk.
Toch ontdekte Herr dat hij nog steeds kon uitblinken in de verticale wereld van rotsklimmen. Op de middelbare school had hij een opleiding genoten in het bewerken van gereedschap en matrijzen op een vakschool; kort nadat hij thuiskwam uit het ziekenhuis, zette hij een werkplaats op in de garage en zette die vaardigheden in bij het ontwerpen en bouwen van zijn eigen prothetische ledematen voor rots- en ijsklimmen. Klimmen is een sport waarbij het typische menselijke lichaam onhandig kan aanvoelen, zoals iedereen die heeft geprobeerd te balanceren op een klein steunpunt of een voet in een spleet heeft geklemd, kan bevestigen. De ontwerpen van Herr leken dus helemaal niet op voeten. Het idee dat de prothese eruit moet zien als een menselijk ledemaat liet ik snel los en begon te denken: wat is optimaal, wat is het beste voor de functie? hij zegt. Hij creëerde kleine voetjes die konden balanceren op een fluisterdunne richel, en bijlachtige messen die in een spleet konden passen.
Al snel begon Herr moeilijkere routes te beklimmen dan hij voor zijn ongeluk onder de knie had. Dat was zeer inspirerend, zegt hij. Ik had nog nooit het vermogen van technologie gewaardeerd om het leven van een persoon zo abrupt te veranderen. Het voor de hand liggende carrièrepad dat hij had kunnen volgen, werken in de woningbouw van zijn vader, was niet langer een optie voor hem, en hij had nu een gevestigd belang bij het verbeteren van kunstmatige ledematen. Dus hoewel Herr nooit van plan was geweest om naar de universiteit te gaan, besloot hij het een paar jaar na zijn ongeluk te proberen en op 25-jarige leeftijd een bachelor in natuurkunde te behalen aan de Millersville University in Pennsylvania. Het verving mijn passie voor klimmen, zegt hij. In twee jaar tijd ging ik van het niet kunnen halen van 10 procent van de honderd naar het studeren van kwantummechanica op universitair niveau. Terwijl hij in Millersville was, kreeg hij ook zijn eerste patent, voor een prothesekoker ontworpen met vloeistofblazen voor meer comfort.
Na zijn afstuderen kwam Herr naar het MIT, waar hij in 1993 een master in werktuigbouwkunde afrondde. Zijn afstudeerproject omvatte het ongebruikelijke idee om een elastisch pak te ontwikkelen om verticaal klimmen gemakkelijker te maken: de beweging van het uitreiken om een houvast te grijpen, rekt het elastiek uit. en de opgeslagen energie wordt vervolgens gebruikt om de meer vermoeiende beweging van het omhoog trekken van het lichaam te ondersteunen. Zijn lab werkt nog steeds aan het idee. Voor zijn doctoraat in de biofysica aan Harvard ontwikkelde hij een numeriek model om te beschrijven hoe een paard rent en stelde hij principes op om het robotachtig na te bootsen. Hij werkte ook in het Leg Lab van MIT, dat vooruitgang boekte bij het bouwen van robots met poten die konden lopen en rennen. Het lab werd vervolgens geleid door Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90 (de oprichter, Marc Raibert, was al vertrokken om fulltime te werken bij het bedrijf dat hij oprichtte, Boston Dynamics). Toen Herr afstudeerde, nam Pratt hem aan als postdoc.
Herr werkte samen met Pratt om een computergestuurd kniegewricht te ontwikkelen dat gebruikmaakt van een magnetorheologische vloeistof - een vloeistof waarvan de viscositeit verandert wanneer een magnetisch veld wordt toegepast - om de stijfheid van het gewricht te variëren terwijl een persoon loopt.
Pratt was zo onder de indruk van Herr's werk op de knie, dat uiteindelijk werd gecommercialiseerd als de Rheo Knee, dat hij hem mededirecteur van het laboratorium maakte, hoewel Herr slechts een postdoc was. Hugh had een enorme praktische kennis over protheses, hij had een enorm goede intuïtie over besturing en hij was ook erg sterk op het gebied van natuurkunde, zegt Pratt, nu programmamanager bij DARPA. Toen Pratt in 2000 MIT verliet, nam Herr het lab over, dat uiteindelijk de Biomechatronics Group binnen het Media Lab werd.
De wetenschap van wandelen
Bezoekers van de Biomechatronics Group, die de helft van een grote open ruimte op de tweede verdieping van het Media Lab vult, komen misschien kijken naar de toekomst van bionica, maar geven vaak commentaar op de rommel. Het lab, dat doorgaans vol zit met studenten en postdocs die aan projecten werken, is bezaaid met computeronderdelen, koffiekopjes, draden, rollen tape, willekeurig gereedschap en plastic mallen van menselijke voeten. In het midden van de ruimte is een verhoogd platform met een loopband en een reeks heuphoge parallelle staven. Tien camera's die op het platform zijn getraind, leggen de bewegingen vast van onderwerpen terwijl ze rennen en lopen op de loopband. Een belangrijk onderdeel van het werk van het laboratorium is namelijk beschrijven hoe het menselijk lichaam beweegt. Lopen, hoewel een schijnbaar eenvoudige handeling, is nog steeds grotendeels mysterieus, waarbij energie wordt gebruikt op een zeer economische manier die moeilijk opnieuw te creëren is in robotica. We begrijpen niet helemaal hoe de spieren worden aangestuurd, wat veel mensen verbaast, zegt Herr. Hoewel onderzoekers het lopen van mensen goed genoeg hebben kunnen simuleren om lopende robots te maken zoals die worden gebruikt in de robotica-uitdaging van DARPA, hebben deze robots enorme hoeveelheden kracht nodig om te doen wat mensen bereiken met ongelooflijke efficiëntie en gratie. Het zal nog een paar jaar duren, zegt Herr, om het lopen goed genoeg te begrijpen om robots te programmeren en prothetische apparaten te ontwikkelen die de menselijke functie efficiënt nabootsen.
Deze loop- en hardloopapparaten die in Herr's lab zijn ontworpen, zijn de voorlopers van een systeem dat is ontwikkeld door zijn spin-offbedrijf BiOM.
Deze wetenschap, zegt hij, is van cruciaal belang voor het ontwerpen van de hardware- en softwarebesturingssystemen van bionische apparaten. Daniel Ferris, directeur van het Human Neuromechanics Laboratory aan de Universiteit van Michigan, zegt dat de kracht van Herr erin bestaat de biologische mechanismen en fysiologie te kennen en te functioneren op een manier die de meeste ingenieurs niet kennen. Hoewel veel ingenieurs robotapparaten voor beweging hebben gebouwd, heeft geen enkele echt het vermogen van Hugh geëvenaard om biologie en techniek te combineren.
Het werk van zijn laboratorium om het menselijke enkelgewricht te modelleren leidde uiteindelijk tot de ontwikkeling van de prothese die Herr tegenwoordig gebruikt, verkocht als de BiOM T2 door zijn startup-bedrijf BiOM (voorheen iWalk genoemd). Het is de eerste voet- en enkelprothese die zich, zoals hij het uitdrukt, meer gedraagt als een motorfiets dan als een fiets, wat inhoudt dat het energie in het systeem stopt in plaats van alleen te vertrouwen op menselijke kracht.
Bij het lopen van de mens leveren de kuitspier en het enkelgewricht de meeste kracht. De BiOM T2 gebruikt een batterij om een systeem van microprocessors, sensoren, veren en actuatoren van stroom te voorzien; het gewricht zorgt voor stijfheid tijdens een hielstoot om schokken op te vangen, en vervolgens voor kracht om het onderbeen omhoog en naar voren te stuwen tijdens een stap. Als je die kracht mist, is het substantieel, zegt hij. Als je het terugkrijgt, verandert het je leven.
Om Adrianne Haslet-Davis te helpen presteren, bestudeerden en modelleerden Herr en zijn team menselijke dansen en herprogrammeerden ze de prothese met algoritmen die het mogelijk zouden maken om de nodige rotaties uit te voeren. Ze hebben het ook ontworpen om de batterij bij de kuit te minimaliseren, om te voorkomen dat het danspasjes in de weg staat.
Het doel van dergelijke apparaten is om prothesen natuurlijker te maken en, door de energiekosten van het lopen te verlagen, gewrichtsbelasting en vermoeidheid te verminderen. Maar het is niet eenvoudig om bionische apparaten naar de kliniek te brengen. Bob Emerson, een prothetist bij A Step Ahead Prosthetics die patiënten helpt bij onderzoeksprojecten in de Herr's groep, zegt dat het een uitdaging is om verzekeraars te overtuigen om te betalen voor apparaten zoals BiOM. Het is een verregaand technologisch platform; mensen begrijpen het niet zo goed, zegt hij. Hij zegt dat er visie en doorzettingsvermogen nodig zijn om grote technologische innovaties in zo'n kleine en gespecialiseerde markt te stimuleren.
Er zijn nog steeds nadelen aan de huidige bionische ontwerpen - enkelprothesen zoals die van Herr gaan bijvoorbeeld door een of twee batterijladingen per dag - dus Herr en zijn collega's werken eraan om protheses kleiner, lichter, stiller en efficiënter te maken. Ze zijn ook betrokken bij pogingen om comfortabelere kokers te ontwerpen om prothetische ledematen aan het lichaam te bevestigen. Mensen zijn zacht en kneedbaar, zegt Herr, en we zijn niet statisch; we veranderen in de tijd, we zwellen, we krimpen. Dus hoe je de machinewereld daaraan koppelt, is een heel moeilijk probleem.
Herr heeft al het probleem aangepakt om mensen betere, meer naadloze controle over kunstmatige ledematen te geven; zijn BiOM-enkelprothesen passen hun koppel en kracht aan als reactie op spiercontractie. Nu gaat hij een stap verder en werkt hij samen met chirurgen en andere onderzoekers aan manieren om bionische ledematen direct door het zenuwstelsel te laten aansturen, wat hij de komende jaren bij een mens hoopt aan te tonen. Terwijl hersen-machine-interfaces invasieve chirurgie vereisen voor hersenimplantaten, wil hij elektronische apparaten aansluiten op de perifere zenuwen op de plaats van de verwonding, zodat mensen bionische ledematen kunnen besturen met hun bestaande zenuwen en mogelijk zelfs sensaties in de ledemaat kunnen waarnemen. Amputatie, wat momenteel een vrij primitieve operatie is, zou een geavanceerde procedure kunnen worden om het lichaam in te stellen op een interface met een bionische ledemaat.
Menselijke capaciteiten uitbreiden
Langs een muur van het Biomechatronics Group-lab staan planken op wielen die bekend staan als de dessertkar en een reeks prototypen van huidige en eerdere projecten bevatten: enkelgewrichten, 3D-geprinte beenmoffen, houten voeten en skischoenen die in verbinding staan met motoren en metaal onderdelen. Hoewel de verzameling prothetische apparaten die zijn laboratorium al heeft geproduceerd indrukwekkend is, is Herr niet tevreden met het herstellen van verloren capaciteiten. Zijn laboratorium werkt ook aan technologieën die de normale menselijke functie kunnen verbeteren, waardoor we sneller kunnen lopen of rennen, meer gewicht kunnen dragen of gemakkelijker kunnen klimmen. De dessertwagen bevat vroege ontwerpen voor draagbare exoskeletten waarmee mensen net zo snel te voet naar hun werk kunnen pendelen als op de fiets, of zware lasten kunnen dragen zonder moe te worden.
Herr klimt in 1990 in Shawangunk, New York, met voetprothesen die hij voor eigen gebruik op rotswanden had ontworpen.
Het bouwen van een exoskelet dat beweging gemakkelijker maakt, is een uitdaging - het apparaat moet de gebruiker een voordeel bieden dat de last van het dragen ervan overstijgt. Luke Mooney, een afgestudeerde student in de Biomechatronics Group, zegt dat veel mensen denken aan een exoskelet en zich een pak in Iron Man-stijl voorstellen. Maar onlangs werkte hij met Herr aan een veel meer minimalistische benadering, waarbij hij zich uitsluitend richtte op het leveren van mechanische kracht aan de enkel om de energie die het nodig heeft om te lopen te verminderen. Hun prototype, een wandelschoen bevestigd aan een beugel op het onderbeen en aangedreven door een draagbaar batterijpakket, is het eerste exoskelet dat de metabolische kosten van lopen daadwerkelijk kan verlagen, zoals aangetoond in een studie gepubliceerd in mei in de Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation . Als je de stekker uit het stopcontact haalt, heb je opeens het gevoel dat je voeten betonblokken zijn, zegt Mooney.
Zelfs met deze successen zijn technologen nog ver verwijderd van het repliceren van de natuurlijke vermogens van het lichaam of het bouwen van draagbare apparaten die de mogelijkheden ervan drastisch kunnen vergroten. Ik bewonder Hughs creativiteit en unieke aanpak en zijn gedrevenheid, zegt Woodie Flowers, SM ’68, ME ’70, PhD ’72, een emeritus hoogleraar werktuigbouwkunde die meehielp toezicht te houden op het afstudeeronderzoek van Herr. Maar Herr werkt in een zeer complex onderzoeksgebied dat een zeer intieme relatie omvat tussen een complexe mens en een complexe machine, benadrukt hij. Ik respecteer hoe moeilijk dat is.
Het goede lichaam herdefiniëren
Ondanks de praktische uitdagingen heeft Herr een verreikende visie om technologie en biologie te versmelten. Terwijl sommige onderzoekers en ingenieurs de sociale implicaties van hun werk verdoezelen, is hij een uitgesproken kampioen geworden voor de manieren waarop technologie het lichaam kan verbeteren.
Veel mensen die gewond zijn geraakt, kijken naar hem op voor motivatie, zegt Pratt. Een deel van die inspiratie komt van Herr's houding ten opzichte van prothesen. Toen hij eenmaal besefte dat hij met prothetische benen kon klimmen, begon hij ze te vieren in plaats van ze te verbergen, en ze in felle kleuren te schilderen. Tegenwoordig draagt hij soms een broek die bij de knieën is afgesneden, waardoor zijn prothesen zichtbaar zijn.
Herr is nooit bezig geweest met het lijken alsof hij normale benen had; naast het beklimmen van voeten, bouwde hij zichzelf kunstmatige ledematen waarmee hij kort of heel lang kon zijn. Veel mensen willen hun prothese camoufleren, zegt hij, omdat ze er normaal uitzien associëren met aantrekkelijk zijn. Ik heb het verband niet gelegd, zegt hij lachend. Zijn gevoel van aantrekkelijkheid werd gevormd door klimmen; als atleet had hij altijd het gevoel dat sexiness meer werd bepaald door bekwaamheid dan door uiterlijk. Het kan me niet schelen hoe je eruitziet, zegt hij. Als je niet zwak bent - als je het tegenovergestelde bent - ben je erg sexy.
Naarmate kunstmatige ledematen krachtiger en functioneler worden, kunnen ze soms zelfs worden gezien als het tegenovergestelde van een handicap. In 1986 werd Herr de tweede persoon die een vrije klim deed van een scheur van 120 voet in de staat Washington, City Park genaamd, die destijds werd beschouwd als de zwaarste dergelijke klim in het land. Toen een andere klimmer het in 2006 beklom, werd de prestatie van Herr verdisconteerd door een groot klimmagazine omdat zijn prothetische benen hem een voordeel gaven. Hij ziet parallellen met hoe de wereld reageerde op olympisch loper Oscar Pistorius, een dubbel geamputeerde die werd beschuldigd van valsspelen toen hij zijn beenprothese gebruikte om te concurreren met valide atleten.
Onze cultuur is getraind om een persoon met een ongewoon lichaam of geest als zwak te beschouwen, zegt Herr. Als er geen zwakte is, als er een atleet is die daadwerkelijk wint tegen het normale lichaam, ontstaat er verwarring.
Hij gelooft dat ideeën over protheses zullen veranderen. We zijn allemaal zo cel- en weefselgericht, zegt hij. Op de een of andere manier denken we dat onze cellen heilig zijn, en dat zodra een deel van ons lichaam is gemaakt van titaniumatomen of zoiets, het minder menselijk is - dat je de mensheid niet in synthetische stoffen kunt inbedden. Maar hij voorspelt dat deze vooringenomenheid alleen zal voortduren zolang de objecten die we aan het lichaam hechten ruw, ongemakkelijk en slecht presterend zijn. Een kunstmatig ledemaat dat geen poging doet om eruit te zien als een menselijk ledemaat, lijkt misschien lelijk, zegt hij, maar als je diezelfde esthetiek neemt en het zeer functioneel en krachtig maakt, wordt het intrigerend en mooi.
Na verloop van tijd, denkt hij, zullen mensen minder geven om waar we van gemaakt zijn. Het maakt gewoon uit wat we zijn en wat we doen - de kwaliteit van ons leven, zegt hij.