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.
A Massachusettsi Műszaki Egyetem professzora vagyok, de nem épületeket vagy számítógépes rendszereket tervezek, hanem testrészeket, bionikus lábakat, amik kifinomult emberi járásra és futásra alkalmasak.
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.
Volt egy hegymászó balesetem 1982-ben, mindkét lábamat amputálni kellett, mert elfagytak benne a szövetek. Itt láthatják a lábaimat: 24 szenzor, 6 mikroprocesszor és izom-ínműködést imitáló szerkezetek. Térdtől lefelé lényegében egy rakás csavarból és anyából állok. De ezzel a fejlett bionikus technológiával tudok ugrálni, táncolni és futni.
(Applause)
(Taps)
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)
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.
Bionikus ember vagyok, de még nem kiborg. Mikor meg akarom mozdítani a lábam, központi idegrendszeremből kiindulva jelek futnak végig az idegeimen, és aktiválják épen maradt lábcsonkom izmait. Mesterséges elektródák érzékelik ezeket a jeleket, a bionikus lábrészben miniatűr számítógépek dekódolják idegi impulzusaimat, így jön létre akaratlagos mozgásom. Egyszerűen szólva: amikor a mozgásra gondolok, ez a parancs eljut testem szintetikus részébe. Viszont azok a számítógépek nem képesek információt juttatni idegrendszerembe. Amikor szintetikus lábamat érintem és mozdítom, nem érzem sem az érintést, sem a mozgást. Ha kiborg lennék, és érezném a lábam, mert apró számítógépek közvetítenék az információt az idegrendszerembe, hiszem, hogy ez alapjaiban változtatná meg kapcsolatomat szintetikus testemmel. Jelenleg nem érzem a lábaimat, és emiatt azok elmémtől és testemtől egyaránt függetlenek. Nem tartoznak hozzám. Hiszem, ha kiborg lennék és érezném a lábamat, hozzám tartozna, szerves részem lenne.
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.
Az egyetemen "neuro-beágyazottság- tervezésen" dolgozunk. Ebben a tervezési folyamatban szintetikus elemekkel együtt emberi húst és csontot terveznek, magát a biológiai testet, hogy fokozzák a kétirányú kommunikációt az idegrendszer és a mesterséges világ közt. Ez a tervezés a kiborgműködés megalkotásának módszertana. A folyamatban a mérnökök olyan jövőt vázolnak fel, melyben a technológia többé már nem jelent a testünktől-lelkünktől elkülönülő, élettelen eszközöket. Ebben a jövőben a technológiát gondosan beépítik természetünkbe, ebben a világban végképp elveszíti jelentőségét, hogy mi biológiai, és mi nem az, mi emberi, és mi nem az, mi természetes, és mi nem az. Ez a jövő új testeket ígér az emberiségnek. A neuro-beágyazottság-tervezés kiterjeszti majd idegrendszerünket a szintetikus világba, azt pedig belénk építi, alapjaiban változtatva meg minket. Mivel arra tervezik a biológiai testet, hogy jobban tudjon kommunikálni a mesterségesen felépített világgal, az emberiség a 21. századra véget vet a testi fogyatékosságnak, és megteremti az emberi tökéletesedés tudományos-technológiai alapját az emberi adottságokat a veleszületett, fiziológiai szinteken túlra terjesztve, kognitív, érzelmi és fizikai értelemben egyaránt.
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.
Számos eljárással alkothatók új testek egészen széles körben, a biomolekuláristól a szövetek és szervek szintjéig. Most a neuro-beágyazottság-tervezés egyik területéről beszélnék, melyben a testszöveteket sebészi és regeneratív módszerekkel kezelik és építik fel. A jelenlegi amputációs paradigma alapvetően nem változott az amerikai polgárháború óta, és mára teljesen elavult a vezérlőelemek, szabályozórendszerek és idegi interfész technológia drámai fejlődésének fényében. A legfontosabb hibája a dinamikus izomkölcsönhatások hiánya a szabályozás és a propriocepció szempontjából.
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.
Mi a propriocepció? Ha behajlítjuk bokánkat, az izmok összehúzódnak a láb elülső részén, a hátsó részén pedig ugyanakkor megnyúlnak. Ha viszont megfeszítjük a bokát, akkor épp az ellenkezője történik. A láb hátsó részén összehúzódnak az izmok, elöl pedig megnyúlnak. Mikor ezek az izmok meghajlanak és megnyúlnak, az inakban található biológiai érzékelők idegi közvetítéssel információt továbbítanak az agyba. Ezért nem kell odanéznünk ahhoz, hogy érzékeljük, hol van a lábunk.
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.
A jelenlegi amputációs paradigma megtöri ezeket a dinamikus izomkapcsolatokat, ezáltal kiküszöböli a normális proprioceptív érzékelést. Ebből következik, hogy egy szabványos műláb nem képes információt küldeni az idegrendszernek arról, hogy hol található a művégtag a térben. Így a beteg, ha nem néz oda, nem észleli és nem érzi sem a protézis helyzetét, sem a mozgását. Az én lábaimat polgárháború-korabeli módszerrel amputálták. Érzem őket, most is érzem, fantom tudatossággal. Ám ha mozdítani próbálom, semmit nem érzek. Olyan, mintha merev síbakancsba szorultak volna.
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.
A probléma kiküszöbölésére az egyetemen feltaláltuk az agonista- antagonista izom-ideg interfészt. Röviden: az AMI-t. Ezzel a módszerrel összeköthetjük a megmaradt idegeket a külső, bionikus művégtagokkal. Mi az AMI lényege, és hogyan működik? Két, műtéti úton összekötött izomból áll. az egyik az agonista, a másik az antagonista. Amikor az agonista elektromos ingerlésre összerándul, megnyújtja az antagonistát. Ez az izomdinamikán alapuló kölcsönhatás azt okozza, hogy az ínban található biológiai érzékelők információt küldenek az idegeken keresztül a központi idegrendszerbe, az ín hosszúságáról, sebességéről és erejéről szóló adatokat. Így működik az inak propriocepciója, és elsődlegesen így vagyunk képesek helyzet-, mozás- és erőérzékelésre, -észlelésre a végtagjainkban.
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.
Végtag-amputáció során a sebész összeköti ezeket az ellentétesen működő, megmaradt izmokat, így teremti meg az AMI-t. Többszörös AMI-szerkezetek is létrehozhatók több művégtag irányítására és érzékeléséhez. Minden egyes AMI-izomra mesterséges elektródákat telepítenek, és a bionikus végtagokban miniatűr számítógépek dekódolják azokat a jeleket, amik a bionikus végtag nagy erejű motorjait szabályozzák. Amikor a végtag működésbe lép, az AMI-izmok oda-vissza mozognak, idegi úton küldik a jeleket az agynak, így lehetővé teszik, hogy a művégtag viselője természetes módon észlelhesse lába helyzetét és mozgását.
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?
Alkalmazhatók-e ezek a szövettervezési alapelvek a humán gyógyászatban? Néhány éve jóbarátom, a 34 éves Jim Ewing segítséget kért tőlem. Borzalmas hegymászó balesetet szenvedett. 16 métert zuhant a Kajmán-szigeteken, amikor kioldódott a kötele, és ő a földbe csapódott. Rengeteg sérülést szenvedett: átfúródott a tüdeje, darabokra törtek a csontjai. Balesete után minden vágya az volt, hogy visszatérjen kedvenc sportjához, a hegymászáshoz. De hogy valósíthatná ezt meg?
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.
A válasz a Kiborg Team volt, sebészek, kutatók és mérnökök csapata, akik az egyetemen összefogtak, hogy visszaadják Jimnek régi hegymászó énjét. Egyikük, Dr. Matthew Carty Brighamban és a Bostoni Női Kórházban AMI sebészeti módszerrel amputálta Jim súlyosan sérült lábát. Ínhüvelyeket hoztak létre, és Jim sípcsontjához erősítették, hogy újra összekössék a szembenálló izmokat. Az AMI-eljárás helyreállította az idegi kapcsolatot Jim boka-lábizmai és agya között. Amikor megmozdítja fantomlábát, az újra összekötött izmok dinamikus párban mozognak, az ideghálózaton át propriocepciós jeleket küldenek az agyba, így Jim normálisan érzékeli boka-láb-helyzetét és mozgását, még bekötött szemmel is.
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 --
Itt van Jim a MIT-laborban, műtétje után. Elektródokkal elektromosan egy bionikus lábhoz kapcsoltuk Jim AMI-izmait, ő pedig hamar megtanulta, hogyan mozgassa műlábát négy különböző boka-lábmozgás irányába. Ezek az eredmények is lenyűgöztek minket, ám amikor Jim lábra állt, olyan történt, amit sosem felejtünk el. Az összes természetes biomechanika, amit a központi idegrendszer közvetített, akaratlan reflextevékenységként bontakozott ki a szintetikus lábon át. A láb helyzetének összes bonyolultsága lépcsőzés közben –
(Applause)
(Taps)
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.
a szemünk láttára bontakozott ki. Itt Jim lefelé megy a lépcsőn, bionikus lábujjával rálép a következő lépcsőfokra, automatikusan végzi a természetes mozdulatokat, anélkül, hogy tudatosan akarná mozgatni műlábát. Jim központi idegrendszere ugyanis proprioceptív jeleket kap, innen tudja, pontosan hogyan szabályozza természetes módon a lábát.
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 úgy mozog és viselkedik, mintha az a műláb a természetes testrésze lenne. Egy napon például a laborban véletlenül rálépett egy tekercs szigetelőszalagra. Önök mit tesznek, amikor valami a cipőjükhöz ragad? Nem hajolnak le érte így, az olyan idétlen lenne. Inkább lerázzák, és pontosan ezt tette Jim is, alig néhány órával azután, hogy az idegi összeköttetés létrejött. Számomra az volt a legérdekesebb, ahogy Jim elmesélte, mit élt át. Azt mondta: "A robot a részemmé vált."
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: "Az első reggelen, miután a robothoz kapcsolódtam, a lányom jött le a lépcsőn, kérdezte, milyen érzés kiborgnak lenni. Azt feleltem: nem érzem magam annak. Úgy érzem, rendes lábam van, nem olyan, mintha robothoz kapcsolódnék, hanem egy robot kapcsolódott hozzám, és a részemmé vált. Igen hamar a lábammá vált."
Hugh Herr: Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)
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.
Azáltal, hogy kétirányú kapcsolatot teremtettünk Jim idegrendszere és a szintetikus láb között, megvalósítottuk a neurológiai beágyazódást. Feltételeztem, hogy mivel Jim észlelni és mozgatni tudja műlábát, és mivel idegrendszerén belül azokat a mozdulatokat is érzi, műlába többé nem egy idegen segédeszköz, hanem Jimhez tartozik, Jim testének szerves része. E neurológiai beágyazódásnak köszönhetően ugyanis nem kiborgnak érzi magát. Úgy érzi, visszakapta a lábát, testi épsége újra teljes lett.
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.
Gyakran kérdezik tőlem, mikor fogok idegi úton kétirányú kapcsolatot teremteni műlábammal, mikor lesz belőlem kiborg. Őszintén szólva nem is biztos, hogy az akarok lenni. Mielőtt amputálták a lábamat, csapnivaló diák voltam. Többnyire rossz jegyeket kaptam az iskolában. Aztán elvesztettem a lábamat, és hopp, professzor lettem ezen a rangos egyetemen.
(Laughter)
(Nevetés)
(Applause)
(Taps)
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.
Attól tartok, ha egyszer idegi kapcsolatot teremtenék a lábammal, az agyam visszaállna a nem-épp-sziporkázó üzemmódba.
(Laughter)
(Nevetés)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
De tudják mit, nem bánom, egyetemi profként megengedhetem magamnak.
(Laughter)
(Nevetés)
(Applause)
(Taps)
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.
Hiszem, hogy a neuro-beágyazottság- tervezés birodalma messze több lesz egy művégtagcserénél, olyan birodalomba repíti az emberiséget, amely alapvetően újraértelmezi az emberi lehetőségeket. Még ebben a században a mérnökök hatékony, erős külső csontvázakká fogják bővíteni az idegrendszert, e vázakat az emberek elméjükkel irányíthatják és érzékelhetik. A testen belüli izmok újra konfigurálhatók, így képesek vezérelni az erős motorokat, így érezhetők és észlelhetők a külső váz mozgásai, ez fokozza az emberi erőt, magasabb ugrást és gyorsabb futást eredményez. Hiszem, hogy még ebben a században szuperhőssé válik az ember. Testünket nem-emberi jellegű szerkezetekkel is bővíthetjük, például szárnyakkal, idegrendszerünkből irányítva és érezve minden szárnycsapást. Leonardo da Vinci azt mondta: "Ha egyszer megízlelted a repülést, utána úgy fogsz járni a földön, hogy szemed az eget fürkészi, mert ott voltál fent, és oda vágysz vissza." Hiszem, hogy századunk alkonyi éveire az emberek külalakja és mozgása felismerhetetlenül más lesz majd, mint amilyenek most vagyunk. Az emberiség felszáll, és lebegni fog. Jim Ewing lezuhant és csúnyán összetört, de az ég felé tekintett, ahová mindig vágyott visszatérni. A balesete után nemcsak arról álmodozott, hogy újra jár, hanem hogy visszatér kedvenc sportjához, a hegymászáshoz is. A Kiborg Team különleges lábat alkotott neki a függőleges világhoz, ez a láb agyi irányítással teljes helyzet- és mozgásérzékelésre képes. E technológiával Jim visszautazott a Kajmán-szigetekre, a baleset helyszínére, hogy kiborgként újjáépítve ismét az ég felé mászhasson.
(Crashing waves)
(Zúgó hullámok)
(Applause)
(Taps)
Thank you.
Köszönöm.
(Applause)
(Taps)
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
Hölgyeim és uraim, íme, Jim Ewing, az első sziklamászó kiborg!
(Applause)
(Taps)