Ich bin ein MIT-Professor, aber ich entwerfe keine Gebäude oder Computersysteme. Ich baue Körperteile, bionische Beine, die das Gehen und Laufen unterstützen.
I'm an MIT professor, but I do not design buildings or computer systems. Rather, I build body parts, bionic legs that augment human walking and running.
1982 hatte ich einen Bergsteigerunfall und beide Beine mussten aufgrund von Erfrierungen amputiert werden. Hier sieht man meine Beine: 24 Sensoren, sechs Mikroprozessoren und muskelsehnenartige Aktuatoren. Ich bin im Grunde vom Knie abwärts ein Haufen Schrauben und Muttern. Aber mit dieser fortschrittlichen bionischen Technologie kann ich springen, tanzen und rennen.
In 1982, I was in a mountain-climbing accident, and both of my legs had to be amputated due to tissue damage from frostbite. Here, you can see my legs: 24 sensors, six microprocessors and muscle-tendon-like actuators. I'm basically a bunch of nuts and bolts from the knee down. But with this advanced bionic technology, I can skip, dance and run.
(Beifall)
(Applause)
Vielen Dank.
Thank you.
(Beifall)
(Applause)
Ich bin ein bionischer Mann, aber noch kein Cyborg. Wenn ich daran denke, meine Beine zu bewegen, laufen von meinem Zentralnervensystem neurale Signale durch meine Nerven und aktivieren Muskeln in meinen Restgliedmaßen. Künstliche Elektroden spüren diese Signale und kleine Computer im bionischen Bein übersetzen meine Nervenimpulse in meine beabsichtigten Bewegungen. Einfach gesagt, wenn ich über das Bewegen nachdenke, wird der Befehl dem synthetischen Teil meines Körpers mitgeteilt. Jedoch können diese Computer keine Signale in mein Nervensystem einspeisen. Berühre und bewege ich meine künstlichen Gliedmaßen, erlebe ich keine normalen Berührungs- und Bewegungsempfindungen. Wäre ich ein Cyborg und könnte meine Beine über kleine Computer fühlen, die Informationen in mein Nervensystem einspeisen, würde sich meine Beziehung zu meinem synthetischen Körper grundlegend verändern. Heute kann ich meine Beine nicht fühlen, und deshalb sind meine Beine von meinem Verstand und meinem Körper getrennte Werkzeuge. Sie sind kein Teil von mir. Wäre ich ein Cyborg und könnte meine Beine fühlen, würden sie ein Teil von mir, Teil meines Selbst, werden.
I'm a bionic man, but I'm not yet a cyborg. When I think about moving my legs, neural signals from my central nervous system pass through my nerves and activate muscles within my residual limbs. Artificial electrodes sense these signals, and small computers in the bionic limb decode my nerve pulses into my intended movement patterns. Stated simply, when I think about moving, that command is communicated to the synthetic part of my body. However, those computers can't input information into my nervous system. When I touch and move my synthetic limbs, I do not experience normal touch and movement sensations. If I were a cyborg and could feel my legs via small computers inputting information into my nervous system, it would fundamentally change, I believe, my relationship to my synthetic body. Today, I can't feel my legs, and because of that, my legs are separate tools from my mind and my body. They're not part of me. I believe that if I were a cyborg and could feel my legs, they would become part of me, part of self.
Am MIT entwickeln wir NeuroEmbodied Design. In diesem Design-Prozess entwirft der Designer zusammen mit synthetischen Teilen menschliches Fleisch und Knochen, den biologischen Körper selbst, um die bidirektionale Kommunikation zwischen dem Nervensystem und der gebauten Umwelt zu verbessern. NeuroEmbodied Design ist eine Methodik zum Erzeugen von Cyborg-Funktionalität. Im Entwurfsprozess denken Designer über eine Zukunft nach, in der die Technologie nicht länger aus unabhängigen, leblosen Werkzeugen unseres Geistes und Körpers besteht, über eine Zukunft, in der Technologie sorgfältig in unsere Natur integriert wurde. Eine Welt, in der Biologisches und Abiologisches, Menschliches und Nicht-Menschliches, Natur und Künstliches für immer verwischt sein werden. Diese Zukunft wird der Menschheit neue Körper bieten. NeuroEmbodied Design wird unser Nervensystem und die synthetische Welt miteinander verzahnen und so im Grunde ändern, wer wir sind. Durch Gestalten des biologischen Körpers zur besseren Kommunikation mit der errichteten Entwurfswelt wird die Menschheit die Behinderung im 21. Jahrhundert beenden, die wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen für die menschliche Augmentation schaffen und die menschlichen Fähigkeiten über die angeborene Physiologie hinaus kognitiv, emotional und physisch erweitern.
At MIT, we're thinking about NeuroEmbodied Design. In this design process, the designer designs human flesh and bone, the biological body itself, along with synthetics to enhance the bidirectional communication between the nervous system and the built world. NeuroEmbodied Design is a methodology to create cyborg function. In this design process, designers contemplate a future in which technology no longer compromises separate, lifeless tools from our minds and our bodies, a future in which technology has been carefully integrated within our nature, a world in which what is biological and what is not, what is human and what is not, what is nature and what is not will be forever blurred. That future will provide humanity new bodies. NeuroEmbodied Design will extend our nervous systems into the synthetic world, and the synthetic world into us, fundamentally changing who we are. By designing the biological body to better communicate with the built design world, humanity will end disability in this 21st century and establish the scientific and technological basis for human augmentation, extending human capability beyond innate, physiological levels, cognitively, emotionally and physically.
Es gibt viele Möglichkeiten, neue Körper aufzubauen, von molekularer bis hin zur Gewebs- und Organebene. Heute möchte ich über einen Bereich von NeuroEmbodied Design sprechen, bei dem mittels chirurgischer und regenerativer Prozessen das Gewebe des Körpers beeinflusst und geformt wird. Seit dem US-amerikanischen Bürgerkrieg hat sich das jetzige Amputationsparadigma nicht grundlegend geändert und angesichts dramatischer Fortschritte bei Aktuatoren, Steuerungssystemen und neuralen Verbindungstechnologien ist es obsolet geworden. Ein Hauptmangel ist das Fehlen dynamischer Muskelinteraktionen zur Steuerung und Propriozeption.
There are many ways in which to build new bodies across scale, from the biomolecular to the scale of tissues and organs. Today, I want to talk about one area of NeuroEmbodied Design, in which the body's tissues are manipulated and sculpted using surgical and regenerative processes. The current amputation paradigm hasn't changed fundamentally since the US Civil War and has grown obsolete in light of dramatic advancements in actuators, control systems and neural interfacing technologies. A major deficiency is the lack of dynamic muscle interactions for control and proprioception.
Was ist Propriozeption? Wenn Sie Ihren Knöchel beugen, kontrahieren die Muskeln am Schienbein und dehnen gleichzeitig die Muskeln Ihrer Wade. Das Gegenteil passiert, wenn Sie Ihren Knöchel strecken. Dann kontrahieren die Muskeln in der Wade und strecken sich Muskeln vorne. Wenn Muskeln sich beugen und strecken, senden biologische Sensoren im Muskel Informationen durch die Nerven zum Gehirn. So können wir fühlen, wo unsere Füße sind, ohne sie mit unseren Augen zu sehen.
What is proprioception? When you flex your ankle, muscles in the front of your leg contract, simultaneously stretching muscles in the back of your leg. The opposite happens when you extend your ankle. Here, muscles in the back of your leg contract, stretching muscles in the front. When these muscles flex and extend, biological sensors within the muscle tendons send information through nerves to the brain. This is how we're able to feel where our feet are without seeing them with our eyes.
Das aktuelle Amputationsparadigma ruiniert diese dynamischen Muskelbeziehungen und eliminiert dabei normale propriozeptive Empfindungen. Folglich kann eine Standardprothese keine Informationen darüber in das Nervensystem rückkoppeln, wo sich die Prothese im Raum befindet. Der Patient kann daher die Positionen und Bewegungen der Prothese nicht wahrnehmen und fühlen, ohne sie zu sehen. Meine Beine wurden mit dieser Methode aus der Bürgerkriegsära amputiert. Ich kann meine Füße fühlen, ich kann sie genau jetzt als Phantomempfindung spüren. Aber will ich sie bewegen, geht das nicht. Es fühlt sich an, als steckten sie in starren Skistiefeln.
The current amputation paradigm breaks these dynamic muscle relationships, and in so doing eliminates normal proprioceptive sensations. Consequently, a standard artificial limb cannot feed back information into the nervous system about where the prosthesis is in space. The patient therefore cannot sense and feel the positions and movements of the prosthetic joint without seeing it with their eyes. My legs were amputated using this Civil War-era methodology. I can feel my feet, I can feel them right now as a phantom awareness. But when I try to move them, I cannot. It feels like they're stuck inside rigid ski boots.
Um diese Probleme zu lösen, erfanden wir am MIT das "agonist-antagonist myoneural Interface" (AMI). Die AMI-Methode verbindet im verbliebenen Gliedmaß Nerven mit einer externen, bionischen Prothese. Wie ist das AMI gestaltet und wie funktioniert es? Das AMI besteht aus zwei Muskeln, einem Agonisten und einem Antagonisten, die operativ verbunden sind. Kontrahiert sich der Agonist nach elektrischer Aktivierung, dehnt sich der Antagonist. Die muskeldynamische Interaktion bewirkt, dass biologische Sensoren im Muskel Informationen zur Länge der Muskelsehne, zur Geschwindigkeit und Kraft des Muskels an das zentrale Nervensystem senden, So funktioniert die Propriozeption der Muskelsehnen. Es ist die primäre Art, wie wir als Menschen Positionen, Bewegungen und Kräfte auf unseren Gliedmaßen fühlen können.
To solve these problems, at MIT, we invented the agonist-antagonist myoneural interface, or AMI, for short. The AMI is a method to connect nerves within the residuum to an external, bionic prosthesis. How is the AMI designed, and how does it work? The AMI comprises two muscles that are surgically connected, an agonist linked to an antagonist. When the agonist contracts upon electrical activation, it stretches the antagonist. This muscle dynamic interaction causes biological sensors within the muscle tendon to send information through the nerve to the central nervous system, relating information on the muscle tendon's length, speed and force. This is how muscle tendon proprioception works, and it's the primary way we, as humans, can feel and sense the positions, movements and forces on our limbs.
Wenn ein Bein amputiert wird, verbindet der Chirurg diese gegenüberliegenden Muskeln, um ein AMI zu erzeugen. Für die Steuerung und das Empfinden von mehrteiligen Gelenkprothesen können mannigfache AMI-Gebilde geschaffen werden. Künstliche Elektroden werden dann auf jedem AMI-Muskel platziert und kleine Computer im bionischen Teil entschlüsseln diese Signale, um an der bionischen Extremität starke Motoren zu steuern. Wenn sich das bionische Bein bewegt, bewegen sich die AMI-Muskeln hin und her und senden Signale an das Gehirn, wodurch die Person mit der Prothese natürliche Empfindungen von Positionen und Bewegungen der Prothese erfährt.
When a limb is amputated, the surgeon connects these opposing muscles within the residuum to create an AMI. Now, multiple AMI constructs can be created for the control and sensation of multiple prosthetic joints. Artificial electrodes are then placed on each AMI muscle, and small computers within the bionic limb decode those signals to control powerful motors on the bionic limb. When the bionic limb moves, the AMI muscles move back and forth, sending signals through the nerve to the brain, enabling a person wearing the prosthesis to experience natural sensations of positions and movements of the prosthesis.
Können diese Prinzipien des Gewebedesigns bei einem Menschen eingesetzt werden? Vor ein paar Jahren hat mich mein guter, 34-jähriger Freund Jim Ewing um Hilfe gebeten. Jim hatte einen furchtbaren Kletterunfall. Er ist auf den Cayman Islands 15 Meter tief gefallen, als sein Seil ihn nicht halten konnte und er auf dem Boden aufschlug. Er erlitt sehr viele Verletzungen: Punktierte Lunge und viele Knochenbrüche. Nach seinem Unfall träumte er davon, wieder Bergsteigen zu können. Aber wie könnte das möglich sein?
Can these tissue-design principles be used in an actual human being? A few years ago, my good friend Jim Ewing -- of 34 years -- reached out to me for help. Jim was in an a terrible climbing accident. He fell 50 feet in the Cayman Islands when his rope failed to catch him hitting the ground's surface. He suffered many, many injuries: punctured lungs and many broken bones. After his accident, he dreamed of returning to his chosen sport of mountain climbing, but how might this be possible?
Die Antwort war Team Cyborg, ein Team von Chirurgen, Wissenschaftlern und Ingenieuren, die am MIT versammelt wurden, um Jim wieder das Klettern zu ermöglichen. Teammitglied Dr. Matthew Carty amputierte Jims schwer beschädigtes Bein mit dem AMI-Chirurgie-Verfahren am Brigham and Women's Hospital in Boston. Ringbänder wurden erstellt und an Jims Schienbein befestigt, um die gegenüberliegenden Muskeln wieder zu verbinden. Das AMI-Verfahren stellte die neurale Verbindung zwischen Jims Knöchel-Fuß-Muskeln und seinem Gehirn wieder her. Wenn Jim sein Phantombein bewegt, bewegen sich die so verbundenen Muskeln in dynamischen Paaren und erzeugen Signale der Propriozeption, die über die Nerven zum Gehirn gelangen. Und so erlebt Jim normale Empfindungen von Knöchel-Fuß-Positionen und Bewegungen, selbst mit verbundenen Augen.
The answer was Team Cyborg, a team of surgeons, scientists and engineers assembled at MIT to rebuild Jim back to his former climbing prowess. Team member Dr. Matthew Carty amputated Jim's badly damaged leg at Brigham and Women's Hospital in Boston, using the AMI surgical procedure. Tendon pulleys were created and attached to Jim's tibia bone to reconnect the opposing muscles. The AMI procedure reestablished the neural link between Jim's ankle-foot muscles and his brain. When Jim moves his phantom limb, the reconnected muscles move in dynamic pairs, causing signals of proprioception to pass through nerves to the brain, so Jim experiences normal sensations with ankle-foot positions and movements, even when blindfolded.
Nach seinen Operationen ist Jim hier im MIT-Labor. Über die Elektroden verknüpften wir Jims AMI-Muskeln elektrisch mit einem bionischen Bein, und Jim lernte schnell, wie man das bionische Bein in vier verschiedenen Knöchel-Fuß- Bewegungsrichtungen bewegt. Wir waren schon davon begeistert, aber dann stand Jim auf, und was geschah, war wirklich bemerkenswert. Alle natürlichen Biomechaniken, die vom zentralen Nervensystem kommen, ergaben sich über die Prothese als unwillkürliche, reflexive Handlung. Alle Feinheiten der Fußplatzierung während des Treppenaufgangs --
Here's Jim at the MIT laboratory after his surgeries. We electrically linked Jim's AMI muscles, via the electrodes, to a bionic limb, and Jim quickly learned how to move the bionic limb in four distinct ankle-foot movement directions. We were excited by these results, but then Jim stood up, and what occurred was truly remarkable. All the natural biomechanics mediated by the central nervous system emerged via the synthetic limb as an involuntary, reflexive action. All the intricacies of foot placement during stair ascent --
(Beifall)
(Applause)
erschienen vor unseren Augen. Hier geht Jim Stufen hinunter, greift mit seinem bionischen Zeh zur nächsten Stufe und zeigt ganz automatisch natürliche Bewegungen, ohne dass er versucht, seine Gliedmaßen zu bewegen. Weil Jims Zentralnervensystem die propriozeptiven Signale empfängt, kann es das synthetische Bein auf natürliche Weise genau kontrollieren.
emerged before our eyes. Here's Jim descending steps, reaching with his bionic toe to the next stair tread, automatically exhibiting natural motions without him even trying to move his limb. Because Jim's central nervous system is receiving the proprioceptive signals, it knows exactly how to control the synthetic limb in a natural way.
Jetzt bewegt sich Jim und benimmt sich, als wäre die Prothese ein Teil von ihm. Zum Beispiel trat er eines Tages im Labor versehentlich auf eine Rolle Isolierband. Was tun Sie, wenn etwas an Ihrem Schuh klebt? Man bückt sich nicht runter; das ist viel zu unbequem. Stattdessen schüttelt man es ab, und genau das tat Jim, nachdem er erst seit ein paar Stunden neural mit dem Bein verbunden war. Am interessantesten war für mich, als Jim uns erzählte, was er empfand. Er sagte: "Der Roboter wurde ein Teil von mir."
Now, Jim moves and behaves as if the synthetic limb is part of him. For example, one day in the lab, he accidentally stepped on a roll of electrical tape. Now, what do you do when something's stuck to your shoe? You don't reach down like this; it's way too awkward. Instead, you shake it off, and that's exactly what Jim did after being neurally connected to the limb for just a few hours. What was most interesting to me is what Jim was telling us he was experiencing. He said, "The robot became part of me."
Jim Ewing: Am Morgen nach dem ersten Mal, als ich am Roboter angeschlossen war, kam meine Tochter runter und fragte mich, wie es sich anfühlte, ein Cyborg zu sein, und meine Antwort war, dass ich mich nicht wie ein Cyborg fühlte. Es war, als hätte ich mein Bein, und ich war nicht so sehr an den Roboter angeschlossen, wie der Roboter an mich, und der Roboter wurde ein Teil von mir. Er wurde ziemlich schnell mein Bein.
Jim Ewing: The morning after the first time I was attached to the robot, my daughter came downstairs and asked me how it felt to be a cyborg, and my answer was that I didn't feel like a cyborg. I felt like I had my leg, and it wasn't that I was attached to the robot so much as the robot was attached to me, and the robot became part of me. It became my leg pretty quickly.
Hugh Herr: Danke.
Hugh Herr: Thank you.
(Beifall)
(Applause)
Indem wir Jims Nervensystem bidirektional mit seinem künstlichen Bein verbanden, bewirkte es eine neurologische Verkörperlichung. Vermutlich weil Jim sein künstliches Bein mitdenken und bewegen kann und weil er diese Bewegungen in seinem Nervensystem fühlen kann, ist die Prothese nicht mehr ein gesondertes Hilfsmittel, sondern ein integraler Bestandteil von Jim und seinem Körper. Wegen der neurologischen Verkörperlichung fühlt sich Jim nicht wie ein Cyborg. Er fühlt sich, als hätte er sein Bein zurück, als hätte er seinen Körper zurück.
By connecting Jim's nervous system bidirectionally to his synthetic limb, neurological embodiment was achieved. I hypothesized that because Jim can think and move his synthetic limb, and because he can feel those movements within his nervous system, the prosthesis is no longer a separate tool, but an integral part of Jim, an integral part of his body. Because of this neurological embodiment, Jim doesn't feel like a cyborg. He feels like he just has his leg back, that he has his body back.
Jetzt werde ich oft gefragt, wann ich mich mit meinen Prothesen neural bidirektional verbinden lasse, wann ich ein Cyborg werden will. Die Wahrheit ist, ich zögere, ein Cyborg zu werden. Bevor meine Beine amputiert wurden, war ich ein schrecklicher Schüler. Ich bekam in der Schule Fünfen und oft Sechsen. Nachdem meine Glieder amputiert wurden, wurde ich plötzlich ein MIT-Professor.
Now I'm often asked when I'm going to be neurally linked to my synthetic limbs bidirectionally, when I'm going to become a cyborg. The truth is, I'm hesitant to become a cyborg. Before my legs were amputated, I was a terrible student. I got D's and often F's in school. Then, after my limbs were amputated, I suddenly became an MIT professor.
(Lachen)
(Laughter)
(Beifall)
(Applause)
Ich befürchte, sobald ich wieder neural mit meinen Beinen verbunden bin, wird mein Gehirn wieder zu seinem nicht so hellen Selbst zurückkehren.
Now I'm worried that once I'm neurally connected to my limbs once again, my brain will remap back to its not-so-bright self.
(Lachen)
(Laughter)
Aber wissen Sie, das ist okay, denn ich bin am MIT schon fest angestellt.
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
(Lachen)
(Laughter)
(Beifall)
(Applause)
Ich glaube, die Reichweite von NeuroEmbodied Design wird weit über den Ersatz von Gliedmaßen hinausreichen und die Menschheit in Bereiche führen, die das menschliche Potenzial grundlegend neu definieren. In diesem 21. Jahrhundert werden Designer das Nervensystem mit kraftvollen Exoskeletten verbinden, die der Mensch mit seinen Gedanken steuern und fühlen kann. Die Muskeln im Körper können umgestaltet werden, um starke Motoren zu steuern, exoskeletale Bewegungen zu fühlen, und die menschliche Stärke, Sprunghöhe und Laufgeschwindigkeit zu erhöhen. In diesem 21. Jahrhundert werden Menschen zu Superhelden. Menschen können ihre Körper auch um nicht-anthropomorphe Strukturen wie z. B. Flügel erweitern und jede Flügelbewegung im Nervensystem fühlen. Leonardo da Vinci sagte: "Wenn du das Fliegen einmal erlebt hast, wirst du für immer auf Erden wandeln, mit deinen Augen himmelwärts gerichtet, denn dort bist du gewesen und dort wird es dich immer wieder hinziehen." Gegen Ende dieses Jahrhunderts, sind Menschen in Morphologie und Dynamik, verglichen mit dem, wie wir heute sind, nicht wiederzuerkennen. Die Menschheit wird fliegen und sich in die Höhe schwingen. Jim Ewing fiel auf die Erde und war schwer verletzt, aber seine Augen wanderten zum Himmel, wo er sich immer hinsehnte. Nach seinem Unfall träumte er nicht nur, wieder gehen zu können, sondern auch davon, zu seinem geliebten Bergsteigen zurückzukehren. Am MIT baute Team Cyborg Jim ein Bein für die vertikale Welt, ein hirngesteuertes mit vollen Positions- und Bewegungsempfindungen. Mit dieser Technologie kehrte Jim zu den Cayman Islands, dem Ort seines Unfalls, zurück, um als ein wiedererbauter Cyborg erneut in den Himmel zu klettern.
I believe the reach of NeuroEmbodied Design will extend far beyond limb replacement and will carry humanity into realms that fundamentally redefine human potential. In this 21st century, designers will extend the nervous system into powerfully strong exoskeletons that humans can control and feel with their minds. Muscles within the body can be reconfigured for the control of powerful motors, and to feel and sense exoskeletal movements, augmenting humans' strength, jumping height and running speed. In this 21st century, I believe humans will become superheroes. Humans may also extend their bodies into non-anthropomorphic structures, such as wings, controlling and feeling each wing movement within the nervous system. Leonardo da Vinci said, "When once you have tasted flight, you will forever walk the earth with your eyes turned skyward, for there you have been and there you will always long to return." During the twilight years of this century, I believe humans will be unrecognizable in morphology and dynamics from what we are today. Humanity will take flight and soar. Jim Ewing fell to earth and was badly broken, but his eyes turned skyward, where he always longed to return. After his accident, he not only dreamed to walk again, but also to return to his chosen sport of mountain climbing. At MIT, Team Cyborg built Jim a specialized limb for the vertical world, a brain-controlled leg with full position and movement sensations. Using this technology, Jim returned to the Cayman Islands, the site of his accident, rebuilt as a cyborg to climb skyward once again.
(Brechende Wellen)
(Crashing waves)
(Beifall)
(Applause)
Vielen Dank.
Thank you.
(Beifall)
(Applause)
Meine Damen und Herren, Jim Ewing, der erste Cyborg-Bergsteiger.
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
(Beifall)
(Applause)