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Die Körperelektrik
Unbequeme Schuhe. Umständliche Krücken. Schmerzhafte künstliche Gliedmaßen. Wenn Technologie auf Biologie trifft, ist die Schnittstelle selten fehlerfrei – und die Geräte behindern oft die Körper, denen sie helfen sollen. Hugh Herr, SM ’93, glaubt, dass Technologen es besser können. Als außerordentlicher Professor für Medienkunst und -wissenschaften und Leiter der Biomechatronik-Gruppe im Media Lab des MIT baut Herr hochentwickelte Geräte, die die menschliche Bewegung unterstützen, indem sie die Natur nachahmen.
Im März sorgte Herr für Schlagzeilen TED-Gespräch über die Arbeit in seinem Labor zur Herstellung einer speziellen Prothese, die es Adrianne Haslet-Davis, einer Tänzerin, deren Bein nach den Bombenanschlägen beim Boston-Marathon 2013 teilweise amputiert worden war, ermöglichte, eine Rumba für das Publikum aufzuführen. Aber mehr als nur ein einzelnes Projekt hervorzuheben, lud Herrs Vortrag die Öffentlichkeit zu seiner größeren Vision ein: eine Welt, in der Technologie Behinderungen auslöscht und in der die synthetische und die biologische Welt nahtlos verschmelzen.
Es ist ungewöhnlich, einen Forscher zu finden, dessen Arbeit und persönliche Geschichte so eng miteinander verflochten sind, und das nicht nur, weil Herr, selbst ein Doppelamputierter, jetzt auf bionischen Beinen geht, die sein Labor entworfen hat. Als Kletterer und Träger von Prothesen hat Herr direkte Erfahrung mit frustrierend schlechten Prothesendesigns – und der Entschlossenheit eines Athleten, sie zu überwinden. Sein Labor arbeitet daran, die Tricks zu verstehen, die der menschliche Körper verwendet, um sich effizient zu bewegen, und dieses Wissen dann in Robotergeräte zu übersetzen, die nicht nur die Funktion derjenigen wiederherstellen können, die sie verloren haben, sondern auch die normalen menschlichen Fähigkeiten verbessern.
Stellen Sie sich vor, in 50 Jahren, mit wirklich fortschrittlichen bionischen Technologien, [wenn] Sie einen dritten Arm wollen, können Sie einen dritten Arm haben, sagt er. Das ist cool .
Eine umgeleitete Leidenschaft
Herr, 50, bezeichnet sich selbst als konzentrierten Menschen, und er spricht mit einer Feierlichkeit, die seinen trockenen Humor leicht übersehen lässt. Als er jung war, war dieser intensive Fokus auf eine Sache gerichtet: Klettern. Mein einziges Ziel war es, der beste Kletterer der Welt zu werden, sagt er. Seine akademischen Interessen waren, wie er bereitwillig zugibt, nicht existent. Im Jahr 1982, als er 17 Jahre alt war, gerieten Herr und ein Freund in einen Schneesturm, als sie den Mount Washington in New Hampshire bestiegen. Sie waren drei Nächte lang gestrandet, bevor sie gerettet wurden; Ein Mann, der versuchte, sie zu retten, starb. Herrs erfrorene Beine wurden unterhalb der Knie amputiert.
Es ist für jeden, der zum ersten Mal ein künstliches Glied erhält, alarmierend, wie wenig technisch und archaisch die Technologie ist – sicherlich damals, sagt er. Seine ersten Prothesen waren Provisorien mit Gipspfannen, und er wurde angewiesen, nicht ohne Krücken oder andere Hilfsmittel zu gehen: Der Gips würde unter seinem vollen Gewicht zerbrechen. Später bekam er dauerhafte Prothesen aus Holz, Gummi und Kunststoff, aber sie waren steif und schmerzhaft.
Doch Herr stellte fest, dass er sich in der vertikalen Welt des Felskletterns immer noch auszeichnen konnte. Auf dem Gymnasium hatte er eine Ausbildung zum Werkzeug- und Formenbau an einer Berufsschule absolviert; Kurz nachdem er aus dem Krankenhaus nach Hause zurückgekehrt war, richtete er eine Werkstatt in der Garage ein und setzte diese Fähigkeiten ein, um seine eigenen Prothesen für das Fels- und Eisklettern zu entwerfen und zu bauen. Klettern ist ein Sport, bei dem sich der typische menschliche Körper unangenehm anfühlen kann, wie jeder bestätigen kann, der versucht hat, auf einem kleinen Tritt zu balancieren oder einen Fuß in eine Ritze zu klemmen. Herrs Designs sahen also überhaupt nicht wie Füße aus. Diese Vorstellung, dass die Prothese wie ein menschliches Glied aussehen muss, habe ich schnell aufgegeben und angefangen zu überlegen: Was ist optimal, was ist das Beste für die Funktion? er sagt. Er schuf winzige Füße, die auf einem hauchdünnen Felsvorsprung balancieren konnten, und beilähnliche Klingen, die in einen Spalt passen konnten.
Schon bald begann Herr, härtere Routen zu klettern, als er vor seinem Unfall gemeistert hatte. Das war zutiefst inspirierend, sagt er. Ich hatte noch nie die Fähigkeit der Technologie geschätzt, das Leben eines Menschen so abrupt zu verändern. Der naheliegende Berufsweg im väterlichen Hausbaubetrieb kam für ihn nicht mehr infrage und er hatte nun ein ureigenes Interesse daran, Prothesen besser zu machen. Obwohl Herr nie vorgehabt hatte, aufs College zu gehen, beschloss er einige Jahre nach seinem Unfall, es zu versuchen und erwarb im Alter von 25 Jahren einen Bachelor-Abschluss in Physik an der Millersville University in Pennsylvania. Es ersetzte meine Leidenschaft für das Klettern, sagt er. In zwei Jahren ging ich von der Unfähigkeit, 10 Prozent von Hundert zu nehmen, zum Studium der Quantenmechanik auf Graduiertenebene über. Während seiner Zeit in Millersville erhielt er auch sein erstes Patent für einen Prothesenschaft mit Flüssigkeitsblasen für besseren Komfort.
Nach seinem Abschluss kam Herr ans MIT, wo er 1993 einen Master in Maschinenbau abschloss. Sein Diplomarbeitsprojekt beinhaltete die ungewöhnliche Idee, einen elastischen Anzug zu entwickeln, um das vertikale Klettern zu erleichtern: Die Bewegung des Greifens nach oben, um einen Haltegriff zu greifen, dehnt das Gummiband , und seine gespeicherte Energie wird dann verwendet, um die anstrengendere Bewegung des Hochziehens des Körpers zu unterstützen. Sein Labor arbeitet noch heute an der Idee. Für seine Promotion in Biophysik in Harvard entwickelte er ein numerisches Modell, um zu beschreiben, wie ein Pferd läuft, und etablierte Prinzipien, um es roboterhaft nachzuahmen. Er arbeitete auch im Leg Lab des MIT, das Fortschritte beim Bau von Robotern mit Beinen machte, die laufen und laufen konnten. Das Labor wurde dann von Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90 geleitet (sein Gründer, Marc Raibert, war bereits gegangen, um Vollzeit bei der von ihm gegründeten Firma Boston Dynamics zu arbeiten). Als Herr seinen Abschluss machte, stellte Pratt ihn als Postdoc ein.
Herr arbeitete mit Pratt zusammen, um ein computergesteuertes Kniegelenk zu entwickeln, das eine magnetorheologische Flüssigkeit verwendet – eine Flüssigkeit, deren Viskosität sich ändert, wenn ein Magnetfeld angelegt wird – um die Steifheit des Gelenks beim Gehen zu variieren.
Pratt war so beeindruckt von Herrs Arbeit am Knie, die schließlich als Rheo-Knie kommerzialisiert wurde, dass er ihn zum Co-Direktor des Labors machte, obwohl Herr nur ein Postdoc war. Hugh hatte enormes praktisches Wissen über Prothetik, er hatte eine enorm gute Intuition in Bezug auf Kontrolle und er war auch sehr stark in Bezug auf Physik, sagt Pratt, jetzt Programmmanager bei DARPA. Als Pratt das MIT im Jahr 2000 verließ, übernahm Herr das Labor, das schließlich zur Biomechatronics Group innerhalb des Media Lab wurde.
Die Wissenschaft des Gehens
Besucher der Biomechatronics Group, die die Hälfte eines großen offenen Raums im zweiten Stock des Media Lab füllt, kommen vielleicht, um die Zukunft der Bionik zu sehen, aber sie kommentieren oft das Durcheinander. Das Labor, das normalerweise voll mit Studenten und Postdocs ist, die an Projekten arbeiten, ist übersät mit Computerteilen, Kaffeetassen, Drähten, Klebebandrollen, zufälligen Werkzeugen und Plastikabdrücken menschlicher Füße. In der Mitte des Raums befindet sich eine erhöhte Plattform mit einem Laufband und einem Satz hüfthoher Barren. Zehn Kameras, die auf der Plattform ausgerichtet sind, erfassen die Bewegungen der Probanden beim Laufen und Gehen auf dem Laufband. Denn ein wichtiger Teil der Arbeit des Labors besteht darin, zu beschreiben, wie sich der menschliche Körper bewegt. Gehen, obwohl ein scheinbar einfacher Vorgang, ist immer noch weitgehend mysteriös und verbraucht Energie auf eine sehr sparsame Weise, die in der Robotik schwer nachzubilden ist. Wir verstehen nicht ganz, wie die Muskeln kontrolliert werden, was viele Leute überrascht, sagt Herr. Obwohl Forscher in der Lage waren, das menschliche Gehen gut genug zu simulieren, um Laufroboter zu entwickeln, wie sie in der Robotik-Herausforderung von DARPA verwendet werden, benötigen diese Roboter enorme Mengen an Kraft, um das zu tun, was Menschen mit unglaublicher Effizienz und Anmut erreichen. Es wird noch einige Jahre dauern, sagt Herr, bis man das Gehen gut genug versteht, um Roboter zu programmieren und Prothesen zu entwickeln, die menschliche Funktionen effizient nachbilden.
Diese in Herrs Labor entwickelten Geh- und Laufgeräte sind die Vorläufer eines Systems, das von seiner Spin-off-Firma BiOM entwickelt wurde.
Diese Wissenschaft, sagt er, ist entscheidend für die Entwicklung der Hardware- und Software-Steuerungssysteme von bionischen Geräten. Daniel Ferris, Direktor des Human Neuromechanics Laboratory an der University of Michigan, sagt, dass Herrs Stärke darin besteht, die biologischen Mechanismen und die Physiologie und Funktionsweise auf eine Weise zu kennen, die die meisten Ingenieure nicht kennen. Während viele Ingenieure Robotergeräte für die Bewegung gebaut haben, hat keines wirklich mit Hughs Fähigkeit mithalten können, Biologie mit Technik zu verschmelzen.
Die Arbeit seines Labors zur Modellierung des menschlichen Sprunggelenks führte schließlich zur Entwicklung der Prothese, die Herr heute verwendet und die als BiOM T2 von seinem Startup-Unternehmen BiOM (ehemals iWalk) verkauft wird. Es ist die erste Fuß- und Sprunggelenkprothese, die sich, wie er sagt, eher wie ein Motorrad denn wie ein Fahrrad verhält, also Energie ins System bringt und sich nicht nur auf menschliche Kraft verlässt.
Beim menschlichen Gehen tragen der Wadenmuskel und das Sprunggelenk die meiste Kraft bei. Der BiOM T2 verwendet eine Batterie, um ein System aus Mikroprozessoren, Sensoren, Federn und Aktuatoren mit Strom zu versorgen; Das Gelenk bietet Steifheit während eines Fersenauftritts, um Stöße zu absorbieren, und dann Kraft, um den Unterschenkel während eines Schritts nach oben und vorne zu treiben. Wenn Ihnen diese Kraft fehlt, ist sie erheblich, sagt er. Wenn Sie es zurückbekommen, ist es lebensverändernd.
Um Adrianne Haslet-Davis beim Auftritt zu unterstützen, untersuchten und modellierten Herr und sein Team den menschlichen Tanz und programmierten die Prothese mit Algorithmen neu, die es ihr ermöglichen würden, die erforderlichen Rotationen auszuführen. Sie haben es auch entworfen, um die Batterie an der Wade zu minimieren, damit sie nicht bei Tanzschritten im Weg ist.
Das Ziel solcher Geräte ist es, Prothesen natürlicher zu machen und durch Senkung der Energiekosten beim Gehen Gelenkbelastung und Ermüdung zu reduzieren. Aber bionische Geräte in die Klinik zu bringen, ist nicht einfach. Bob Emerson, ein Orthopädietechniker bei A Step Ahead Prosthetics, der dabei hilft, Patienten mit Forschungsprojekten in Herrs Gruppe zu verbinden, sagt, es sei schwierig, Versicherer davon zu überzeugen, für Geräte wie BiOM zu zahlen. Es ist eine weitreichende technologische Plattform; Die Leute verstehen es nicht wirklich gut, sagt er. Er sagt, dass es Vision und Beharrlichkeit braucht, um große technologische Innovationen in einem so kleinen und spezialisierten Markt voranzutreiben.
Aktuelle bionische Konstruktionen haben immer noch Nachteile – Knöchelprothesen wie die von Herr benötigen zum Beispiel ein oder zwei Batterieladungen pro Tag –, daher arbeiten Herr und seine Kollegen daran, Prothesen kleiner, leichter, leiser und effizienter zu machen. Sie sind auch an Bemühungen beteiligt, bequemere Fassungen zu entwickeln, um Prothesenglieder am Körper zu befestigen. Menschen sind weich und formbar, sagt Herr, und wir sind nicht statisch; wir verändern uns mit der Zeit, wir schwellen an, wir schrumpfen. Wie Sie also die Maschinenwelt damit verbinden, ist ein wirklich schwieriges Problem.
Herr hat sich bereits mit dem Problem befasst, Menschen eine bessere und nahtlosere Kontrolle über künstliche Gliedmaßen zu geben; Seine BiOM-Knöchelprothesen passen ihr Drehmoment und ihre Kraft an die Muskelkontraktion an. Jetzt geht er noch einen Schritt weiter und arbeitet mit Chirurgen und anderen Forschern an Möglichkeiten, bionische Gliedmaßen direkt vom Nervensystem zu steuern, was er in den nächsten Jahren bei einem Menschen demonstrieren möchte. Während Gehirn-Maschine-Schnittstellen eine invasive Operation für Gehirnimplantate erfordern würden, möchte er elektronische Geräte mit den peripheren Nerven am Ort der Verletzung verbinden, sodass Menschen bionische Gliedmaßen mit ihren vorhandenen Nerven steuern und möglicherweise sogar Empfindungen in den Gliedmaßen wahrnehmen können. Die Amputation, die derzeit eine ziemlich grobe Operation ist, könnte zu einem ausgeklügelten Verfahren werden, bei dem der Körper so eingerichtet wird, dass er mit einem bionischen Glied verbunden ist.
Erweiterung der menschlichen Fähigkeiten
Entlang einer Wand des Labors der Biomechatronics Group beherbergen fahrbare Regale, die als Dessertwagen bekannt sind, eine Reihe von Prototypen aktueller und vergangener Projekte: Knöchelgelenke, 3-D-gedruckte Beinpfannen, Holzfüße und Skischuhe, die mit Motoren und Metall verbunden sind Teile. Obwohl die Sammlung von Prothesen, die sein Labor bereits produziert hat, beeindruckend ist, begnügt sich Herr nicht damit, verlorene Fähigkeiten wiederherzustellen. Sein Labor arbeitet auch an Technologien, die die normale menschliche Funktion verbessern könnten, sodass wir schneller gehen oder laufen, mehr Gewicht tragen oder leichter klettern können. Der Dessertwagen enthält frühe Entwürfe für tragbare Exoskelette, die es Menschen ermöglichen würden, zu Fuß so schnell wie mit dem Fahrrad zur Arbeit zu pendeln oder schwere Lasten zu tragen, ohne müde zu werden.
Herr klettert 1990 in Shawangunk, New York, mit selbst entworfenen Fußprothesen an Felswänden.
Der Bau eines Exoskeletts, das Bewegungen erleichtert, ist eine Herausforderung – das Gerät muss dem Benutzer einen Nutzen bieten, der die Last des Tragens übersteigt. Luke Mooney, ein Doktorand in der Biomechatronics Group, sagt, dass viele Leute an ein Exoskelett denken und sich einen Anzug im Iron Man-Stil vorstellen. Aber er hat kürzlich mit Herr an einem weitaus minimalistischeren Ansatz gearbeitet und sich ausschließlich darauf konzentriert, dem Knöchel mechanische Kraft zu verleihen, um die Energie zu reduzieren, die er zum Gehen benötigt. Ihr Prototyp, ein Wanderschuh, der an einer Orthese am Unterschenkel befestigt und von einem tragbaren Akkupack angetrieben wird, ist das erste Exoskelett, das tatsächlich die Stoffwechselkosten des Gehens senken kann, wie in a gezeigt wird lernen erschienen diesen Mai in der Zeitschrift für Neuroengineering und Rehabilitation . Wenn Sie es ausstecken, fühlen Sie sich plötzlich wie Betonklötze, sagt Mooney.
Trotz dieser Erfolge sind Technologen noch weit davon entfernt, die natürlichen Fähigkeiten des Körpers nachzubilden oder tragbare Geräte zu bauen, die seine Fähigkeiten dramatisch steigern können. „Ich bewundere Hughs Kreativität, seinen einzigartigen Ansatz und seinen Tatendrang“, sagt Woodie Flowers, SM ’68, ME ’70, PhD ’72, ein emeritierter Professor für Maschinenbau, der Herrs Forschungsarbeit für seine Abschlussarbeit betreut hat. Aber Herr arbeitet in einem sehr komplexen Forschungsgebiet, das eine sehr enge Beziehung zwischen einem komplexen Menschen und einer komplexen Maschine beinhaltet, betont er. Ich respektiere, wie schwer das ist.
Den guten Körper neu definieren
Trotz der praktischen Herausforderungen hat Herr eine weitreichende Vision für die Verschmelzung von Technologie und Biologie. Während einige Forscher und Ingenieure die sozialen Auswirkungen ihrer Arbeit beschönigen, ist er zu einem ausgesprochenen Verfechter der Möglichkeiten geworden, wie Technologie den Körper verbessern kann.
Viele Verletzte sehen wegen seiner Motivation zu ihm auf, sagt Pratt. Ein Teil dieser Inspiration kommt von Herrs Einstellung zu Prothesen. Als ihm klar wurde, dass er mit Beinprothesen klettern konnte, fing er an, sie zu feiern, anstatt sie zu verstecken, und malte sie in leuchtenden Farben. Heute trägt er manchmal Hosen, die an den Knien abgeschnitten sind und seine Prothesen sichtbar machen.
Herr hat sich nie darum gekümmert, normale Beine zu haben; Zusätzlich zu Kletterfüßen baute er sich künstliche Gliedmaßen, die es ihm ermöglichen, klein oder sehr groß zu sein. Viele Menschen wollen ihre Prothesen tarnen, sagt er, weil sie normales Aussehen mit Attraktivität assoziieren. Ich habe die Verbindung nicht hergestellt, sagt er lachend. Sein Attraktivitätsempfinden wurde durch das Klettern geprägt; Als Athlet hatte er immer das Gefühl, dass Sexiness mehr von Können als von Aussehen bestimmt wurde. Es ist mir egal, wie du aussiehst, sagt er. Wenn du nicht schwach bist – wenn du das Gegenteil bist – bist du sehr sexy.
Da künstliche Gliedmaßen leistungsfähiger und funktionaler werden, können sie tatsächlich manchmal als das Gegenteil einer Behinderung wahrgenommen werden. 1986 war Herr die zweite Person, die einen 120 Fuß hohen Riss namens City Park im US-Bundesstaat Washington frei bestieg, der damals als der härteste derartige Aufstieg des Landes galt. Als ein anderer Kletterer ihn 2006 bestieg, wurde Herrs Leistung von einem großen Klettermagazin abgewertet, weil seine Beinprothesen ihm einen Vorteil verschafften. Er sieht Parallelen dazu, wie die Welt auf den olympischen Läufer Oscar Pistorius reagierte, einen zweifach amputierten, der des Betrugs beschuldigt wurde, als er seine Beinprothesen benutzte, um gegen nichtbehinderte Athleten anzutreten.
Unsere Kultur ist darauf trainiert, eine Person mit einem ungewöhnlichen Körper oder Geist als schwach zu betrachten, sagt Herr. Wenn es keine Schwäche gibt, wenn es einen Athleten gibt, der tatsächlich gegen den normalen Körper gewinnt, entsteht Verwirrung.
Er glaubt, dass sich die Vorstellungen von Prothetik ändern werden. Wir sind alle so zell- und gewebezentriert, sagt er. Wir denken irgendwie, dass unsere Zellen heilig sind und dass, sobald ein Teil unseres Körpers aus Titanatomen oder so besteht, es weniger menschlich ist – dass man die Menschheit nicht in Kunststoffe einbetten kann. Aber er sagt voraus, dass diese Voreingenommenheit nur so lange anhalten wird, wie die Objekte, die wir an den Körper heften, grob, unbequem und schlecht funktionieren. Ein künstliches Glied, das nicht versucht, wie ein menschliches Glied auszusehen, mag hässlich erscheinen, sagt er, aber wenn man dieselbe Ästhetik nimmt und es hochfunktional und leistungsstark macht, dann wird [es] faszinierend und schön.
Mit der Zeit, glaubt er, werden sich die Menschen weniger darum kümmern, woraus wir gemacht sind. Es zählt nur, was wir sind und was wir tun – die Qualität unseres Lebens, sagt er.