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.
Je suis professeur au MIT, mais je ne crée pas de bâtiments ou de systèmes informatiques. Je fabrique des membres, des jambes bioniques qui améliorent la marche et la course humaines.
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.
En 1982, j’ai eu un accident de montagne. On a dû m'amputer des deux jambes pour cause d’engelures. Ici, vous pouvez voir mes jambes : 24 capteurs, 6 microprocesseurs et des actionneurs semblables à des tendons. Je ne suis qu’écrous et boulons sous le genou. Mais grâce aux avancées en bionique, je peux sauter, danser et courir.
(Applause)
(Applaudissements)
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Je suis un homme bionique, mais pas encore un cyborg. Quand je songe à bouger mes jambes, des signaux nerveux provenant de mon système nerveux central traversent mes nerfs et activent les muscles dans mes membres résiduels. Des électrodes artificielles captent ces signaux et des micro-ordinateurs dans le membre bionique traduisent ces pulsions en une série de mouvements prévus. En gros, quand je pense à bouger, cet ordre est transmis à la partie synthétique de mon corps. Mais les ordinateurs ne peuvent pas informer mon système nerveux. Quand je touche ou bouge mes membres synthétiques, je n’ai pas de sensations normales de toucher ou de mouvement. Si j’étais un cyborg, pouvant sentir mes jambes, grâce à des ordinateurs qui transmettent des données à mon système nerveux, ça changerait profondément ma relation à mon corps synthétique. Je ne peux pas sentir mes jambes, et à cause de cela, mes jambes sont des outils distincts de mon esprit et de mon corps. Ils ne font pas partie de moi. Je crois que si j’étais un cyborg, sentant mes jambes, elles feraient partie de moi, de mon être.
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.
Au MIT, nous pensons au design NeuroIncarné. Suivant ce procédé, le designer conçoit de la chair et des os humains, du corps biologique, avec des éléments synthétiques qui améliorent la communication bidirectionnelle entre le système nerveux et le monde construit. Le design NeuroIncarné est une méthode pour créer des fonctionnalités cyborg. Ce procédé permet de concevoir un futur dans lequel la technologie ne se résume plus à des outils inertes, distincts de nos esprits et de nos corps, un futur où la technologie est soigneusement intégrée à notre nature, un monde dans lequel ce qui est biologique et ce qui ne l’est pas, ce qui est humain et ce qui ne l’est pas, ce qui est nature et ce qui ne l’est pas, sera désormais diffus. Le futur offrira à l’humanité de nouveaux corps. Le design NeuroIncarné prolongera nos systèmes nerveux dans le monde synthétique, et le monde synthétique en nous, nous transformant profondément. En créant un corps biologique qui communique mieux avec le monde artificiel, l’humanité va éradiquer les infirmités au cours de ce 21e siècle et établir les bases scientifiques et technologiques de l’augmentation humaine, prolongeant les capacités humaines au-delà des seuils innés, psychologiques : au niveau cognitif, émotionnel et physique.
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.
On peut construire des corps de plusieurs façons à différentes échelles : du biomoléculaire à l’échelle du tissu ou de l’organe. J'aimerais vous parler d’un aspect du design NeuroIncarné où l'on manipule et sculpte les tissus du corps par des procédés chirurgicaux et régénérateurs. Le paradigme actuel de l’amputation n’a pas beaucoup changé depuis la guerre de Sécession. C’est désormais obsolète, au vue des progrès énormes réalisés dans les actionneurs, les systèmes de contrôle et les interfaces neurales. Il nous manque encore l’interaction dynamique entre les muscles, pour le contrôle et la proprioception.
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.
Qu’est-ce que la proprioception ? Si je fléchis la cheville, les muscles à l’avant de ma jambe se contractent, étirant simultanément les muscles à l’arrière. C'est le contraire si j'étire la cheville : les muscles de l’arrière se contractent étirant les muscles de l’avant. Quand ces muscles bougent, des capteurs biologiques à l’intérieur des tendons envoient des données au cerveau, par les nerfs. C’est comme ça que nous savons où sont nos pieds sans les voir.
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.
Aujourd'hui, l'amputation détruit ces rapports dynamiques musculaires. éliminant ainsi les sensations proprioceptives normales. Donc, un membre artificiel normal ne peut pas informer le système nerveux sur l'emplacement de la prothèse. Le patient ne peut donc pas sentir la position ni le mouvement de la prothèse sans la voir. Mes jambes furent amputées avec cette méthode archaïque. Je peux sentir mes pieds, je les sens, là, comme une présence fantôme. Mais je ne peux pas les bouger. Elles sont comme coincées dans des bottes de ski rigides.
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.
Pour résoudre cela, au MIT, nous avons inventé l’interface neuro-musculaire agoniste-antagoniste ou AMI. L’AMI sert à connecter les nerfs du membre résidu à une prothèse bionique externe. Comment fonctionne l’AMI ? L’AMI est formé de deux muscles, liés chirurgiquement : un agoniste lié à un antagoniste. Quand l’agoniste se contracte après activation électrique, il étire l’antagoniste. Ce rapport dynamique est perçu par les capteurs biologiques du tendon, qui envoient un signal au système nerveux central relayant des informations sur la longueur, vitesse et force du tendon. C’est ça, la proprioception des tendons. C’est la façon principale dont nous, humains, sentons la position, le mouvement et les forces dans nos membres.
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.
Quand un membre est amputé, le chirurgien connecte les muscles opposés du résidu pour créer un AMI. On peut construire plusieurs dispositifs AMI pour contrôler et sentir plusieurs articulations. Puis on place des électrodes artificielles sur chaque muscle AMI. Les ordinateurs du membre bionique décodent les signaux pour contrôler les moteurs puissants du membre bionique. Quand le membre bouge, les muscles AMI bougent, transmettant des signaux au cerveau, donnant des sensations naturelles au porteur de prothèse sur la position et les mouvements de la prothèse.
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?
Peut-on utiliser ces principes de design en vrai ? Il y a quelques années, mon bon ami Jim Ewing – de 34 ans – me demanda de l’aide après un terrible accident d’escalade. Il était tombé de 15 mètres, dans les Îles Caïman, quand sa corde a lâché. Il endura de nombreuses blessures : poumons percés, fractures multiples. Après l'accident, il rêvait de retrouver son sport préféré, l’escalade. Comment serait-ce possible ?
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.
La réponse : Team Cyborg, une équipe de chirurgiens, scientifiques et ingénieurs, réunis au MIT pour reconstruire Jim et lui rendre son niveau en escalade. Le Dr Matthew Carty amputa sa jambe endommagée à l’hôpital Brigham and Women’s de Boston, suivant la procédure AMI. Des poulies de tendon furent créées et attachées au tibia de Jim pour reconnecter les muscles opposés. La procédure AMI rétablit le lien neural entre les muscles cheville-pied de Jim et son cerveau. Quand Jim bouge son membre fantôme, les muscles reconnectés bougent en paires dynamiques, envoyant des signaux de proprioception à travers les nerfs, au cerveau, et Jim a des sensations normales de position et de mouvement, même les yeux bandés.
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 --
Voici Jim au labo du MIT après chirurgie. Nous liâmes les muscles AMI de Jim, par électrodes, à un membre bionique et Jim apprit vite à le bouger selon quatre axes distincts de mouvement pied-cheville. Nous étions excités par ces résultats, lorsque Jim se leva, et là, ce fut vraiment remarquable. Toute la biomécanique naturelle traitée par le système nerveux central apparut dans le membre synthétique comme un acte involontaire et automatique. Toutes les subtilités du placement de pied lors d'une montée de marches –
(Applause)
(Applaudissements)
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.
apparurent devant nos yeux. Ici, la descente de Jim, ses doigts bioniques approchant la prochaine marche, faisant preuve de mouvements naturels automatiquement, sans efforts. Comme le système nerveux central de Jim reçoit les signaux proprioceptiques, il sait contrôler le membre synthétique de façon naturelle.
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 bouge et se comporte comme si le membre synthétique lui appartenait. Par exemple, un jour au labo, il marcha par erreur sur un rouleau de ruban adhésif. Que fait-on dans ce cas-là ? On ne se baisse pas comme ça ; c’est trop gênant. On le secoue. C’est exactement ce que fit Jim seulement quelques heures après avoir été connecté. Le plus intéressant pour moi, c'est quand Jim nous raconta son expérience. Il dit : « Le robot fait partie de moi. »
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.
Jim Ewing : Le lendemain de ma première connexion au robot, ma fille descendit et me demanda ce que ça fait d’être un cyborg. Ma réponse fut que je ne me sentais pas cyborg. J’avais l’impression d’avoir ma jambe et que je n’étais pas attaché au robot autant qu’il n’était attaché à moi et qu’il faisait partie de moi. C’est vite devenu ma jambe.
Hugh Herr: Thank you.
Hugh Herr : Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
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.
En connectant le système nerveux de Jim, de façon bidirectionnelle, à son membre synthétique, on obtint l’incarnation neurologique. J’ai postulé que parce que Jim peut penser et bouger son membre synthétique, et parce qu’il ressent ces mouvements dans son propre système nerveux, la prothèse n’est plus un outil distinct, mais fait partie intégrante du corps de Jim. Grâce à l’incarnation neurologique, Jim ne se sent pas cyborg. Il sent simplement qu’il a retrouvé ses jambes, son corps.
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.
On me demande souvent quand je vais me faire relier à mes membres de manière bidirectionnelle, quand je vais devenir un cyborg. J’hésite à devenir un cyborg. Avant mon amputation, j’étais un élève nul. J’avais des notes terribles à l’école. Mais après mon amputation, je suis devenu professeur à MIT.
(Laughter)
(Rires)
(Applause)
(Applaudissements)
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.
J’ai peur que si je reconnecte mes neurones à mes membres, mon cerveau va retrouver sa forme moins intelligente.
(Laughter)
(Rires)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
Mais bon, ça va, je suis déjà titularisé au MIT.
(Laughter)
(Rires)
(Applause)
(Applaudissements)
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.
Je crois que la portée du design NeuroIncarné s’étendra bien au-delà du remplacement de membres et entrainera l’humanité dans des contrées qui redéfiniront complètement le potentiel humain. Au 21e siècle, on prolongera le système nerveux dans de puissants exosquelettes que les humains pourront contrôler et sentir avec leur cerveau. Les muscles du corps pourront être reconfigurés pour contrôler des moteurs puissants et pour sentir les mouvements de l’exosquelette, ce qui augmentera notre force, l’amplitude de nos sauts et notre vitesse. Au 21e siècle, je crois que les humains deviendront des super-héros. On pourra aussi prolonger nos corps dans des structures non-anthropomorphes, comme des ailes, contrôlant et sentant chaque mouvement dans notre système nerveux. Léonard de Vinci a dit : « Quiconque aura goûté au vol marchera à jamais les yeux tournés vers le ciel, car là il a été, et là toujours il désirera ardemment retourner. » Au crépuscule de ce siècle, les humains seront méconnaissables, de par leur morphologie et leur mouvement. L’humanité va prendre son envol. Jim Ewing chuta, il fut brisé, mais ses yeux se tournèrent vers le ciel, là où il rêvait de retourner. Après son accident, il rêvait de marcher et de retrouver son sport favori : l’escalade. Au MIT, Team Cyborg a construit pour Jim un membre adapté au monde vertical, une jambe contrôlée par le cerveau, avec une gamme complète de sensations. Armé de cette technologie, Jim regagna les Îles Caïman, le site de son accident, rebâti en cyborg, pour grimper de nouveau vers le ciel.
(Crashing waves)
(Fracas de vagues)
(Applause)
(Applaudissements)
Thank you.
Merci.
(Applause)
(Applaudissements)
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
Mesdames et messieurs, Jim Ewing, le premier grimpeur cyborg.
(Applause)
(Applaudissements)