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Il corpo elettrico
Scarpe scomode. Stampelle imbarazzanti. Arti artificiali dolorosi. Quando la tecnologia incontra la biologia, l'interfaccia è raramente impeccabile e i dispositivi spesso ostacolano i corpi che dovrebbero aiutare. Hugh Herr, SM '93, crede che i tecnologi possano fare di meglio. Professore associato di arti e scienze dei media e leader del Biomechatronics Group nel Media Lab del MIT, Herr sta costruendo dispositivi sofisticati che aiutano il movimento umano imitando la natura.
A marzo, Herr ha fatto notizia discorso TED sul lavoro nel suo laboratorio per creare una protesi speciale che ha permesso ad Adrianne Haslet-Davis, una ballerina la cui gamba è stata parzialmente amputata dopo gli attentati alla maratona di Boston del 2013, di eseguire una rumba per il pubblico. Ma più che evidenziare un singolo progetto, il discorso di Herr ha invitato il pubblico alla sua visione più ampia: un mondo in cui la tecnologia cancella la disabilità e in cui il mondo sintetico e quello biologico si fondono perfettamente.
È insolito trovare un ricercatore il cui lavoro e la cui storia personale siano così intrecciati, e non solo perché Herr, lui stesso un doppio amputato, ora cammina sulle gambe bioniche progettate dal suo laboratorio. In qualità sia di scalatore che di utilizzatore di protesi, Herr ha esperienza diretta con progetti protesici frustranti e poveri e la determinazione di un atleta a superarli. Il suo laboratorio sta lavorando per capire i trucchi che il corpo umano usa per muoversi in modo efficiente, e quindi tradurre quella conoscenza in dispositivi robotici che non solo possono ripristinare la funzione a coloro che l'hanno persa, ma migliorare le normali capacità umane.
Immagina che tra 50 anni, con tecnologie bioniche veramente avanzate, [se] vuoi un terzo braccio, puoi avere un terzo braccio, dice. Questo è figo .
Una passione reindirizzata
Herr, 50 anni, si descrive come una persona concentrata e parla con una solennità che rende facile per le persone perdere il suo umorismo secco. Quando era giovane, quell'intensa concentrazione era diretta su una cosa: l'arrampicata. Il mio unico obiettivo era quello di essere il miglior scalatore del mondo, dice. I suoi interessi accademici erano, ammette prontamente, inesistenti. Nel 1982, quando aveva 17 anni, Herr e un amico furono presi da una bufera di neve mentre scalavano il Monte Washington nel New Hampshire. Sono rimasti bloccati per tre notti prima di essere salvati; un uomo che stava cercando di salvarli è morto. Le gambe congelate di Herr furono amputate sotto le ginocchia.
È allarmante per ogni persona che riceve per la prima volta un arto artificiale quanto sia bassa tecnologia e arcaica la tecnologia, sicuramente all'epoca, dice. Le sue prime protesi furono provvisorie con alveoli in gesso, e gli fu ordinato di non camminare senza stampelle o altro supporto: il gesso si sarebbe frantumato sotto il suo pieno peso. Successivamente ha ottenuto protesi permanenti in legno, gomma e plastica, ma erano rigide e dolorose.
Eppure Herr ha scoperto di poter ancora eccellere nel mondo verticale dell'arrampicata su roccia. Al liceo si era formato in lavorazione di utensili e stampi in una scuola professionale; poco dopo essere tornato a casa dall'ospedale, ha allestito un laboratorio in garage e ha messo al lavoro quelle capacità progettando e costruendo i propri arti protesici per l'arrampicata su roccia e ghiaccio. L'arrampicata è uno sport in cui il tipico corpo umano può sentirsi a disagio, come può testimoniare chiunque abbia provato a tenersi in equilibrio su un piccolo appiglio o infilare un piede in una fessura. Quindi i disegni di Herr non assomigliavano affatto ai piedi. Ho rapidamente abbandonato questa nozione secondo cui la protesi deve assomigliare a un arto umano e ho iniziato a pensare: cosa è ottimale, cosa è meglio per la funzione? lui dice. Ha creato minuscoli piedi che potrebbero stare in equilibrio su una sporgenza sottile come un sussurro e lame simili a un'accetta che potrebbero entrare in una fessura.
Ben presto, Herr iniziò a scalare vie più dure di quelle che aveva imparato prima dell'incidente. È stato profondamente stimolante, dice. Non avevo mai apprezzato la capacità della tecnologia di cambiare la vita di un individuo in modo così precipitoso. L'ovvio percorso di carriera che avrebbe potuto intraprendere, lavorando nell'attività di costruzione di case di suo padre, non era più un'opzione per lui e ora aveva un interesse acquisito nel migliorare gli arti artificiali. Quindi, sebbene Herr non avesse mai avuto intenzione di andare al college, alcuni anni dopo il suo incidente decise di provarci, ottenendo una laurea in fisica alla Millersville University in Pennsylvania all'età di 25 anni. Ha sostituito la mia passione per l'arrampicata, dice. In due anni sono passato dall'impossibilità di prendere il 10 per cento di cento a studiare meccanica quantistica a livello universitario. Mentre era a Millersville ottenne anche il suo primo brevetto, per una presa protesica progettata con vesciche fluide per un migliore comfort.
Dopo la laurea, Herr è arrivato al MIT, dove ha completato un master in ingegneria meccanica nel 1993. Il suo progetto di tesi prevedeva l'idea insolita di sviluppare una muta elastica per facilitare l'arrampicata verticale: il movimento di allungarsi per afferrare un appiglio allunga l'elastico , e la sua energia immagazzinata viene quindi utilizzata per favorire il movimento più faticoso di tirare il corpo verso l'alto. Il suo laboratorio sta ancora lavorando all'idea oggi. Per il suo dottorato di ricerca in biofisica ad Harvard, ha sviluppato un modello numerico per descrivere come corre un cavallo e ha stabilito i principi per imitarlo roboticamente. Ha anche lavorato nel Leg Lab del MIT, che ha fatto progressi nella costruzione di robot con gambe in grado di camminare e correre. Il laboratorio è stato poi guidato da Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90 (il suo fondatore, Marc Raibert, era già partito per lavorare a tempo pieno presso l'azienda da lui fondata, Boston Dynamics). Quando Herr si è laureato, Pratt lo ha assunto come post-dottorato.
Herr ha lavorato con Pratt per sviluppare un'articolazione del ginocchio controllata da computer che utilizza un fluido magnetoreologico, un fluido la cui viscosità cambia quando viene applicato un campo magnetico, per variare la rigidità dell'articolazione mentre una persona cammina.
Pratt è rimasto così colpito dal lavoro di Herr sul ginocchio, che alla fine è stato commercializzato come Rheo Knee, che lo ha nominato co-direttore del laboratorio, sebbene Herr fosse solo un post-dottorato. Hugh aveva un'enorme conoscenza pratica delle protesi, aveva un'intuizione straordinariamente buona sul controllo ed era anche molto forte in termini di fisica, afferma Pratt, ora responsabile del programma presso la DARPA. Quando Pratt lasciò il MIT nel 2000, Herr rilevò il laboratorio, che alla fine divenne il Biomechatronics Group all'interno del Media Lab.
La scienza del camminare
I visitatori del Biomechatronics Group, che occupa metà di una grande stanza aperta al secondo piano del Media Lab, possono venire a vedere il futuro della bionica, ma spesso commentano il disordine. Il laboratorio, che in genere è pieno di studenti e dottorandi che lavorano su progetti, è disseminato di parti di computer, tazze di caffè, fili, rotoli di nastro adesivo, strumenti casuali e stampi di plastica di piedi umani. Al centro dello spazio c'è una piattaforma rialzata con un tapis roulant e una serie di barre parallele alte fino ai fianchi. Dieci telecamere puntate sulla piattaforma catturano i movimenti dei soggetti mentre corrono e camminano sul tapis roulant. Questo perché una parte importante del lavoro del laboratorio consiste nel descrivere come si muove il corpo umano. Camminare, sebbene un atto apparentemente semplice, è ancora in gran parte misterioso, usando l'energia in un modo molto economico che è difficile ricreare nella robotica. Non capiamo del tutto come vengono controllati i muscoli, il che sorprende molte persone, dice Herr. Sebbene i ricercatori siano stati in grado di simulare la camminata umana abbastanza bene da creare robot ambulanti come quelli usati nella sfida robotica della DARPA, questi robot richiedono enormi quantità di potenza per fare ciò che gli umani realizzano con incredibile efficienza e grazia. Ci vorranno ancora qualche anno, dice Herr, per capire la camminata abbastanza bene da programmare robot e sviluppare dispositivi protesici che replichino in modo efficiente le funzioni umane.
Questi dispositivi per camminare e correre progettati nel laboratorio di Herr sono i precursori di un sistema sviluppato dalla sua società spin-off BiOM.
Questa scienza, dice, è fondamentale per la progettazione dei sistemi di controllo hardware e software dei dispositivi bionici. Daniel Ferris, direttore del Laboratorio di neuromeccanica umana presso l'Università del Michigan, afferma che la forza di Herr è conoscere i meccanismi biologici, la fisiologia e il funzionamento in un modo che la maggior parte degli ingegneri non conosce. Mentre molti ingegneri hanno costruito dispositivi robotici per il movimento, nessuno ha davvero eguagliato la capacità di Hugh di fondere la biologia con l'ingegneria.
Il lavoro del suo laboratorio per modellare l'articolazione della caviglia umana alla fine ha portato allo sviluppo della protesi che Herr usa oggi, venduta come BiOM T2 dalla sua società di avvio BiOM (precedentemente chiamata iWalk). È la prima protesi di piede e caviglia che si comporta, come dice lui, più come una motocicletta che come una bicicletta, il che significa che immette energia nel sistema piuttosto che fare affidamento esclusivamente sulla forza umana.
Nella camminata umana, il muscolo del polpaccio e l'articolazione della caviglia contribuiscono maggiormente alla potenza. Il BiOM T2 utilizza una batteria per alimentare un sistema di microprocessori, sensori, molle e attuatori; l'articolazione fornisce rigidità durante un colpo di tallone per assorbire gli urti, quindi potenza per aiutare a spingere la parte inferiore della gamba in alto e in avanti durante un passo. Quando ti manca quel potere, è sostanziale, dice. Quando lo riprendi, cambia la vita.
Per aiutare Adrianne Haslet-Davis a esibirsi, Herr e il suo team hanno studiato e modellato la danza umana e riprogrammato la protesi con algoritmi che le avrebbero consentito di eseguire le rotazioni necessarie. Lo hanno anche progettato per ridurre al minimo la batteria al polpaccio, per evitare che intralci i passi di danza.
L'obiettivo di tali dispositivi è rendere le protesi più naturali e, abbassando i costi energetici della deambulazione, ridurre lo stress e l'affaticamento articolare. Ma portare dispositivi bionici in clinica non è facile. Bob Emerson, un protesista presso A Step Ahead Prosthetics che aiuta a collegare i pazienti ai progetti di ricerca nel gruppo di Herr, afferma che è difficile convincere gli assicuratori a pagare per dispositivi come BiOM. È una piattaforma tecnologica di vasta portata; le persone non lo capiscono molto bene, dice. Dice che ci vogliono visione e tenacia per guidare le principali innovazioni tecnologiche in un mercato così piccolo e specializzato.
Ci sono ancora degli svantaggi negli attuali design bionici - le protesi della caviglia come quella di Herr subiscono una o due ricariche della batteria al giorno, per esempio - quindi Herr e i suoi colleghi stanno lavorando per rendere i dispositivi protesici più piccoli, più leggeri, più silenziosi e più efficienti. Sono anche coinvolti negli sforzi per progettare prese più comode per attaccare gli arti protesici al corpo. Gli esseri umani sono morbidi e malleabili, dice Herr, e non siamo statici; cambiamo nel tempo, ci ingrossiamo, ci rimpiccioliamo. Quindi come collegare il mondo delle macchine a questo è un problema davvero difficile.
Herr ha già affrontato il problema di dare agli esseri umani un controllo migliore e più continuo sugli arti artificiali; le sue protesi di caviglia BiOM regolano la coppia e la potenza in risposta alla contrazione muscolare. Ora sta facendo un ulteriore passo avanti, collaborando con chirurghi e altri ricercatori sui modi per consentire agli arti bionici di essere controllati direttamente dal sistema nervoso, cosa che spera di dimostrare in un essere umano nei prossimi anni. Mentre le interfacce cervello-macchina richiederebbero un intervento chirurgico invasivo per gli impianti cerebrali, vuole collegare dispositivi elettronici ai nervi periferici nel sito della lesione, consentendo alle persone di controllare gli arti bionici con i loro nervi esistenti e potenzialmente anche di percepire le sensazioni nell'arto. L'amputazione, che attualmente è un intervento chirurgico abbastanza grezzo, potrebbe diventare una procedura sofisticata per impostare il corpo per interfacciarsi con un arto bionico.
Ampliare le capacità umane
Lungo una parete del laboratorio del Biomechatronics Group, scaffali su ruote noti come il carrello dei dolci contengono una serie di prototipi di progetti attuali e passati: articolazioni della caviglia, zoccoli per le gambe stampati in 3D, piedini in legno e scarponi da sci che si interfacciano con motori e metallo parti. Mentre la collezione di dispositivi protesici che il suo laboratorio ha già prodotto è impressionante, Herr non si accontenta semplicemente di ripristinare le capacità perse. Il suo laboratorio sta anche lavorando su tecnologie che potrebbero migliorare le normali funzioni umane, permettendoci di camminare o correre più velocemente, portare più peso o arrampicarci più facilmente. Il carrello dei dolci contiene i primi modelli di esoscheletri indossabili che consentirebbero alle persone di recarsi al lavoro a piedi velocemente come potrebbero in bicicletta, o di trasportare carichi pesanti senza stancarsi.
Herr si arrampica a Shawangunk, New York, nel 1990 indossando protesi del piede che aveva progettato per uso personale sulle pareti rocciose.
Costruire un esoscheletro che renda più facili i movimenti è impegnativo: il dispositivo deve fornire all'utente un vantaggio che superi l'onere di indossarlo. Luke Mooney, uno studente laureato del Biomechatronics Group, dice che molte persone pensano all'esoscheletro e immaginano un abito in stile Iron Man. Ma di recente ha lavorato con Herr su un approccio molto più minimalista, concentrandosi esclusivamente sulla fornitura di energia meccanica alla caviglia per ridurre l'energia necessaria per camminare. Il loro prototipo, uno scarpone da trekking fissato a un tutore sulla parte inferiore della gamba e alimentato da un pacco batteria indossabile, è il primo esoscheletro in grado di abbassare effettivamente i costi metabolici della camminata, come dimostrato in un studia pubblicato questo maggio nel Giornale di neuroingegneria e riabilitazione . Quando lo scolleghi, all'improvviso ti senti come se i tuoi piedi fossero blocchi di cemento, dice Mooney.
Anche con questi successi, i tecnologi sono ancora lontani dal replicare le capacità naturali del corpo o dalla costruzione di dispositivi indossabili che possano aumentare notevolmente le sue capacità. Ammiro la creatività e l'approccio unico di Hugh e la sua spinta, afferma Woodie Flowers, SM '68, ME '70, PhD '72, professore emerito di ingegneria meccanica che ha aiutato a supervisionare il lavoro di ricerca laureato di Herr. Ma Herr sta lavorando in un'area di ricerca molto complessa che implica una relazione molto intima tra un essere umano complesso e una macchina complessa, sottolinea. Rispetto quanto sia difficile.
Ridefinire il buon corpo
Nonostante le sfide pratiche, Herr ha una visione di vasta portata per la fusione della tecnologia con la biologia. Mentre alcuni ricercatori e ingegneri ignorano le implicazioni sociali del loro lavoro, è diventato un sostenitore schietto dei modi in cui la tecnologia può migliorare il corpo.
Molte persone che sono state ferite lo ammirano per la motivazione, dice Pratt. Parte di questa ispirazione viene dall'atteggiamento di Herr nei confronti delle protesi. Una volta capito che poteva arrampicare con le gambe protesiche, ha iniziato a celebrarle invece di nasconderle, dipingendole con colori vivaci. Oggi a volte indossa pantaloni tagliati alle ginocchia, rendendo visibili le sue protesi.
Herr non si è mai preoccupato di sembrare avere gambe normali; oltre ad arrampicarsi sui piedi, si costruisce arti artificiali che gli permettono di essere basso o molto alto. Molte persone vogliono camuffare le loro protesi, dice, perché associano l'aspetto normale all'essere attraenti. Non ho fatto la connessione, dice con una risata. Il suo senso di attrattiva è stato modellato dall'arrampicata; come atleta, ha sempre pensato che la sensualità fosse determinata dall'abilità più che dall'aspetto. Non mi interessa che aspetto hai, dice. Se non sei debole, se sei il contrario, sei molto sexy.
Infatti, man mano che gli arti artificiali diventano più potenti e funzionali, a volte possono essere percepiti come l'opposto di una disabilità. Nel 1986, Herr divenne la seconda persona a fare una salita in libera di una fessura di 120 piedi nello stato di Washington chiamata City Park, all'epoca considerata la salita più difficile del paese. Quando un altro alpinista l'ha salito nel 2006, il risultato di Herr è stato scartato da una grande rivista di arrampicata perché le sue gambe protesiche erano viste come un vantaggio. Vede parallelismi con il modo in cui il mondo ha risposto al corridore olimpico Oscar Pistorius, un doppio amputato che è stato accusato di barare quando ha usato le sue gambe protesiche per competere con atleti normodotati.
La nostra cultura è addestrata a pensare a una persona con un corpo o una mente insoliti come debole, dice Herr. Quando non c'è debolezza, quando c'è un atleta che sta effettivamente vincendo contro il corpo normale, si crea confusione.
Crede che le idee sulle protesi cambieranno. Siamo tutti così incentrati sulle cellule e sui tessuti, dice. In qualche modo pensiamo che le nostre cellule siano sacre e che non appena una parte del nostro corpo è fatta di atomi di titanio o qualcosa del genere, sia meno umana, che non puoi incorporare l'umanità nei materiali sintetici. Ma prevede che questo pregiudizio persisterà solo finché gli oggetti che fissiamo al corpo sono rozzi, scomodi e con prestazioni scadenti. Un arto artificiale che non tenta di sembrare un arto umano potrebbe sembrare brutto, dice, ma quando prendi quella stessa estetica e lo rendi altamente funzionale e potente, allora [diventerà] intrigante e bello.
Col tempo, crede, le persone si preoccuperanno meno di ciò di cui siamo fatti. Importa solo ciò che siamo e ciò che facciamo: la qualità della nostra vita, dice.