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.
Sono un docente del MIT, ma non progetto edifici o sistemi informatici. Piuttosto, costruisco ausili corporei, arti bionici che aumentano la potenza del camminare e del correre umano.
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.
Nel 1982, ho avuto un incidente di scalata e mi sono state amputate le gambe a causa dei danni dovuti al congelamento. Qui, potete vedere le mie gambe: 24 sensori, sei microprocessori e attuatori simili a tendini muscolari. Sono essenzialmente un agglomerato di dadi e bulloni dalle ginocchia in giù. Ma con questa tecnologia bionica avanzata, posso saltare, danzare e correre.
(Applause)
(Applausi)
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)
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.
Sono un uomo bionico, ma non ancora un cyborg. Quando penso di muovere le gambe, segnali neuronali dal sistema nervoso centrale percorrono i nervi e attivano i muscoli dei miei arti residuali. Elettrodi artificiali percepiscono questi segnali e piccoli computer nei miei arti bionici decodificano le pulsazioni neuronali in modelli di movimento intenzionale. Per dirlo in modo semplice, quando penso di muovermi, quel comando è comunicato alle parti artificiali del mio corpo. Comunque, questi computer non possono inserire dati nel mio sistema nervoso. Quando tocco e muovo gli arti artificiali, non provo le normali sensazioni del tatto e del movimento Se fossi un cyborg e potessi sentire le mie gambe grazie a piccoli computer che introducono informazioni nel mio sistema nervoso, questo cambierebbe radicalmente, credo, il mio rapporto col mio corpo artificiale. Oggi, non posso sentire le mie gambe, e per questo motivo, le mie gambe sono strumenti separati dalla mia mente e dal mio corpo. Non sono parte di me. Credo che se fossi un cyborg, e le potessi sentire, le mie gambe diventerebbero parte di me, parte del mio essere.
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.
Al MIT, stiamo lavorando al NeuroEmbodied Design. In questo percorso progettuale, il ricercatore progetta carne e ossa, lo stesso corpo biologico, insieme alle parti sintetiche per aumentare la comunicazione bidirezionale tra il sistema nervoso e l'ambiente artificiale. NeuroEmbodied Design è una metodologia per creare funzionalità cyborg. In questo percorso progettuale, i ricercatori intravedono un futuro in cui la tecnologia non sarà più compromessa da strumenti privi di vita e separati dalla nostra mente e dai nostri corpi, un futuro nel quale la tecnologia sarà accuratamente integrata all'interno della nostra natura, un mondo in cui ciò che è biologico e ciò che non è biologico, ciò che è umano e ciò che non è umano, ciò che è natura e ciò che non è natura sarà sfocato per sempre. Quel futuro fornirà all'umanità nuovi corpi. Il NeuroEmbodied Design estenderà il nostro sistema nervoso nel mondo artificiale e il mondo artificiale dentro di noi, cambiando fondamentalmente chi siamo. Progettando il corpo biologico in modo che possa comunicare meglio con il mondo del design costruito, l’umanità porrà termine alla disabilità in questo XXI secolo e stabilirà le basi scientifiche e tecnologiche per aumentare le potenzialità umane, estendendo le capacità umane oltre i livelli fisiologici innati, a livello cognitivo, emotivo e fisico.
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.
Ci sono molti modi per costruire nuove parti corporee a vari livelli, dal biomolecolare a quello dei tessuti e degli organi. Oggi, voglio parlarvi di un’area del NeuroEmbodied Design, dove i tessuti corporei sono manipolati e scolpiti usando processi chirurgici e rigenerativi. L’attuale paradigma amputazionale non è sostanzialmente cambiato dalla Guerra Civile americana ed è diventato obsoleto alla luce dei notevoli sviluppi di attuatori, sistemi di controllo e tecnologie di interfaccia neuronale. Una carenza importante è la mancanza di interazioni muscolari dinamiche per il controllo e la propriocezione.
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.
Cos’è la propriocezione? Se flettete la caviglia, i muscoli anteriori si contraggono, allungando simultaneamente i muscoli posteriori della vostra gamba. Avviene l’opposto se estendete la caviglia. Qui, i muscoli posteriori della gamba si contraggono allungando i muscoli anteriori. Quando questi muscoli si flettono ed allungano, sensori biologici all’interno dei tendini inviano informazioni al cervello attraverso i nervi. Questo ci permette di sentire dove sono i piedi senza vederli con i nostri occhi.
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.
L’attuale paradigma amputazionale sacrifica queste relazioni dinamiche, e nel farlo elimina le normali sensazioni propriocettive. Conseguentemente, un arto artificiale standard non può trasmettere informazioni al sistema nervoso sulla posizione degli arti protesici nello spazio. Il paziente perciò non può provare sensazioni e avvertire le posizioni e i movimenti delle giunture protesiche senza vederle con i propri occhi. Le gambe mi sono state amputate usando questo metodo da Guerra di Secessione. Posso sentire i miei piedi, posso sentirli proprio adesso, come consapevolezza fantasma. Ma quando provo a muoverli, non posso. È come se fossero conficcati dentro rigidi scarponi da sci.
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.
Per risolvere questi problemi, al MIT, abbiamo inventato l’interfaccia mioneurale agonista-antagonista, o AMI, per abbreviare. AMI è un metodo per collegare i nervi negli arti residuali a protesi bioniche esterne. Come è progettato AMI e come funziona? AMI è costituito da due muscoli che sono connessi chirurgicamente, un agonista collegato ad un antagonista. Quando l’agonista si contrae per attivazione elettrica, fa allungare l’antagonista. L’interazione dinamica dei muscoli permette ai sensori biologici presenti nel tendine di inviare informazioni attraverso i nervi al sistema nervoso centrale, collegando informazioni su allungamento del tendine, velocità e forza. Così funziona la propriocezione nei tendini, ed è il modo principale in cui noi, come umani, possiamo provare e sentire la posizione, i movimenti e le tensioni sui nostri arti.
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.
Quando un arto è amputato, il chirurgo connette questi muscoli opponibili nell'arto residuale per creare un AMI. Possono essere creati costrutti AMI multipli per il controllo e la sensazione di giunture protesiche multiple. Elettrodi artificiali sono allora posti su ciascun muscolo AMI, e piccoli computer dentro gli arti bionici decodificano questi segnali per controllare i potenti motori dell'arto bionico. Quando si muove l’arto bionico, i muscoli AMI si muovono avanti e indietro, inviando segnali al cervello attraverso i nervi, permettendo alla persona con protesi di provare sensazioni naturali di posizione e movimento delle protesi.
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?
Questi principi di progetto tissutale si possono usare in un essere umano reale? Alcuni anni fa, il mio buon amico Jim Ewing, di 34 anni, mi ha contattato per chiedere aiuto. Jim aveva avuto un incidente di scalata terribile. Cadde per 15 metri nelle Isole Cayman e la sua corda non riuscì a bloccarlo prima dell'impatto sul terreno. Riportò molti, molti danni: polmoni perforati e molte ossa rotte. Dopo quest’incidente, sognava di tornare al suo sport preferito di scalare montagne, ma come renderlo possibile?
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 risposte era: Team Cyborg, uno staff di chirurghi, scienziati e ingegneri insieme al MIT per riconsegnare Jim alle sue passate prodezze nelle scalate. Il Dr. Matthew Carty, membro del team, amputò la gamba gravemente danneggiata al Brigham e Women’s Hospital di Boston, usando la procedura chirurgica AMI. Sospensori per il tendine vennero creati ed attaccati alla tibia di Jim per riconnettere i muscoli opponibili. La procedura AMI ristabilì i link neuronali tra i muscoli della gamba e del piede di Jim e il suo cervello. Quando Jim muove il suo arto fantasma, i muscoli riconnessi si muovono in coppie dinamiche, permettendo ai segnali propriocettivi di giungere al cervello lungo i nervi, così Jim prova sensazioni normali con posizioni gamba-piede e movimenti, anche con visione cieca.
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 --
Ecco Jim al MIT dopo la sua operazione chirurgica. Abbiamo connesso elettricamente i muscoli AMI di Jim con elettrodi, all'arto bionico, e Jim ha imparato velocemente come muovere l'arto bionico in quattro distinte direzioni di movimento gamba-piede. Eravamo entusiasti di questi risultati, ma dopo Jim si alzò, e quello che è successo è stato davvero indimenticabile. Tutte le funzionalità biomeccaniche mediate dal sistema nervoso centrale sono emerse attraverso l'arto artificiale come azioni di riflesso e involontarie. Tutte le complessità della posizione del piede durante la salita delle scale,
(Applause)
(Applausi)
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.
sono emerse davanti ai nostri occhi. Ecco Jim mentre scende i gradini, mentre raggiunge con la punta del piede bionico il gradino successivo, esibendo automaticamente movimenti naturali senza neanche provare a muovere il suo arto. Poiché il sistema nervoso centrale di Jim sta ricevendo segnali propriocettivi, sa esattamente come controllare l'arto artificiale in modo naturale.
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."
Ora Jim si muove e si comporta come se l'arto artificiale fosse parte di sé. Per esempio, un giorno al laboratorio, per sbaglio è finito sopra una bobina di nastro isolante. Cosa fate quando qualcosa vi si incolla alla scarpa? Non vi abbassate in questo modo; è troppo scomodo. Invece, lo scrollate via, esattamente quello che ha fatto Jim dopo essere rimasto connesso neuralmente all'arto solo per poche ore. La cosa più interessante per me è quello che Jim affermava di stare provando. Ha detto: "Il robot è diventato parte di me."
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: il mattino dopo la prima volta in cui sono stato attaccato al robot, mia figlia arrivò al piano di sotto e mi chiese cosa si prova ad essere un cyborg. E la mia risposta fu che non mi sentivo un cyborg. Sentivo di avere la mia gamba, e non mi sembrava tanto di essere attaccato al robot quanto piuttosto che il robot fosse attaccato a me. Il robot è diventato parte di me. È diventato la mia gamba, e piuttosto in fretta.
Hugh Herr: Thank you.
Hugh Herr: Grazie.
(Applause)
(Applausi)
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.
Connettendo il sistema nervoso di Jim in maniera bidirezionale al suo arto artificiale, abbiamo reso possibile una manifestazione neurologica. Ipotizzo che, poiché Jim può pensare e muovere il suo arto sintetico, e poiché può registrare quei movimenti all'interno del suo sistema nervoso, la protesi non è più uno strumento separato, ma una parte integrante di Jim, una parte integrante del suo corpo. Grazie a questa manifestazione neurologica Jim non si sente come un cyborg. Si sente come se avesse di nuovo la sua gamba, come se avesse di nuovo il suo corpo.
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.
Spesso mi si chiede quando sarò connesso neuronalmente, e bidirezionalmente, ai miei arti nuovi, quando diventerò un cyborg. La verità è che esito a diventare un cyborg. Prima che le mie gambe fossero amputate, ero uno studente terribile. Prendevo voti molto bassi a scuola. Successivamente, dopo l'amputazione dei miei arti, sono diventato all'improvviso un docente al MIT.
(Laughter)
(Risate)
(Applause)
(Applausi)
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.
La mia preoccupazione è che una volta che sono di nuovo connesso ai miei arti, il mio cervello torni nel percorso di un sé non molto brillante.
(Laughter)
(Risate)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
Ma va bene comunque, perché al MIT mi hanno già ingaggiato.
(Laughter)
(Risate)
(Applause)
(Applausi)
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.
Credo che i risultati del NeuroEmbodied Design andranno molto oltre la semplice sostituzione di arti e raggiungeremo vette che fondamentalmente ridefiniranno il potenziale umano. In questo XXI secolo, ricercatori estenderanno il sistema nervoso in esoscheletri molto potenti che gli esseri umani potranno controllare e sentire con le proprie menti. I muscoli potranno essere riconfigurati dall'interno per il controllo di motori potenti, e per provare e sentire i movimenti dell'esoscheletro, aumentando la forza umana, il salto in alto e la velocità di corsa. In questo XXI secolo, credo che gli esseri umani diventeranno supereroi. Gli esseri umani potrebbero anche estendere i loro corpi con strutture non-antropomorfe, come ali, controllando e sentendo ogni singolo movimento delle ali nel sistema nervoso. Leonardo da Vinci ha detto: "Dopo aver provato l'ebbrezza del volo, per sempre camminerete sulla terra con gli occhi rivolti verso il cielo, perché è il luogo in cui siete stati e in quel luogo vorrete sempre ritornare." Quando questo secolo volgerà al termine, secondo me, gli esseri umani saranno irriconoscibili, per aspetto e modalità di movimento, dagli umani di oggi. L'umanità si librerà in volo. Jim Ewing è caduto a terra ed è rimasto seriamente ferito, ma i suoi occhi hanno guardato il cielo, dove ha sempre sperato di ritornare. Dopo l'incidente, non solo ha sognato di camminare di nuovo, ma anche di tornare a praticare lo sport preferito di scalare montagne. Al MIT, Team Cyborg ha creato per Jim un arto specifico per il mondo verticale, una gamba controllata dal cervello pienamente funzionante. Usando questa tecnologia, Jim è ritornato alle Isole Cayman, il luogo in cui è avvenuto l'incidente, ricostruito come un cyborg per conquistare la vetta ancora una volta.
(Crashing waves)
(Onde che si infrangono)
(Applause)
(Applausi)
Thank you.
Grazie.
(Applause)
(Applausi)
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
Signore e signori, Jim Ewing, il primo climber cyborg.
(Applause)
(Applausi)