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.
Eu sou professor do MIT, mas não projeto prédios nem sistemas de computadores. Em vez disso, construo partes do corpo, pernas biónicas que potenciam o caminhar e o correr dos humanos.
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.
Em 1982, sofri um acidente durante uma escalada, e tive de amputar as pernas devido aos danos do frio no tecido celular. Vocês podem ver as minhas pernas: são 24 sensores, 6 microprocessadores e ativadores semelhantes a músculos. Sou praticamente um punhado de parafusos dos joelhos para baixo. Mas com esta tecnologia biónica avançada, posso saltar, dançar e correr.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Muito obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
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.
Sou um homem biónico, mas ainda não sou um ciborgue. Quando eu penso em mexer as pernas, os sinais neurais do meu sistema nervoso central passam pelos meus nervos e ativam os músculos nos meus membros residuais. Elétrodos artificiais captam estes sinais, e pequenos computadores no membro biónico traduzem essas pulsões nervosas numa série de movimentos pretendidos. Para colocar as coisas de forma simples, quando penso em mexer-me, esse comando é comunicado à parte sintética do meu corpo. Contudo, estes computadores não introduzem informações no meu sistema nervoso. Quando eu toco e mexo os meus membros sintéticos, não tenho sensações normais de tato e movimento. Se eu fosse um ciborgue e pudesse sentir as minhas pernas via pequenos computadores que colocassem informações no meu sistema nervoso, isso mudaria fundamentalmente, segundo creio, a minha relação com o meu corpo sintético. Hoje, não consigo sentir as minhas pernas, e por causa disso, as minhas pernas são ferramentas separadas do meu corpo e da minha mente. Elas não fazem parte de mim. Eu acredito que, se fosse um ciborgue e pudesse sentir as minhas pernas, elas tornar-se-iam parte de mim, parte do meu ser.
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.
No MIT, estamos a pensar num "Modelo NeuroInserido". Neste processo de elaboração, os programadores fizeram um esboço do corpo humano, em carne e osso, Juntamente com as partes sintéticas para melhorar a comunicação bidirecional entre os nervos do sistema e o mundo artificial. O Modelo NeuroInserido é um método para criar a funcionalidade ciborgue. Neste processo de elaboração, os programadores contemplam um futuro em que a tecnologia já não se resume a ferramentas inertes e separadas das nossas mentes e dos nossos corpos, um futuro em que a tecnologia foi cuidadosamente introduzida dentro de nossa natureza, um mundo em que o orgânico e o inorgânico, entre o humano e o desumano, entre o natural e o artificial, será para sempre indistinto. Esse futuro fornecerá um novo corpo à humanidade. O Modelo NeuroInserido estenderá o nosso sistema nervoso a um mundo sintético, e o mundo sintético até nós, mudando fundamentalmente quem somos. Ao preparar o corpo orgânico para comunicar melhor com o mundo projetado, a humanidade acabará com as deficiências ainda neste século XXI e estabelecerá as bases científicas e tecnológicas para melhorar os seres humanos, estendendo a capacidade humana para além do níveis inatos e fisiológicos, cognitiva, emocional e fisicamente.
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.
Há muitas maneiras de construir corpos novos a todos os níveis, da escala biomolecular à escala dos tecidos e órgãos. Hoje, vou falar sobre uma área do Modelo NeuroInserido, em que os tecidos do corpo são manipulados e esculpidos usando processos cirúrgicos e regenerativos. O atual paradigma da amputação não mudou muito desde a Guerra Civil dos EUA, e tornou-se obsoleto diante dos avanços abismais nos atuadores, nos sistemas de controlo e nas tecnologias de interferência neural. A maior deficiência é a falta de interação dinâmica dos músculos para controlo e cinestesia.
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.
O que é cinestesia? Quando fletimos o tornozelo, os músculos na parte da frente da perna contraem-se simultaneamente, esticando os músculos da barriga da perna. O oposto acontece quando esticamos o tornozelo. Os músculos da barriga da perna contraem-se, esticando os músculos da parte da frente. Quando fletimos e esticamos esses músculos. sensores biológicos nos tendões dos músculos enviam informações para o cérebro, através de nervos. Assim, conseguimos sentir onde estão os pés sem os vermos com os olhos.
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.
O atual paradigma da amputação quebra essas relações dinâmicas entre os músculos, eliminando, assim, as sensações cinestésicas normais. Consequentemente, um membro artificial padrão não pode dar informações ao sistema nervoso sobre se a prótese está no espaço. Portanto, o paciente não consegue sentir nem perceber as posições e os movimentos da articulação prostética sem a ver com os seus olhos. As minhas pernas foram amputadas usando esta metodologia da era da Guerra Civil. Consigo sentir os pés, Consigo senti-los agora mesmo como uma consciência fantasma. Mas quando tento movê-los, não consigo. É como se estivessem presos dentro de botas de esqui.
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.
Para resolver isso, inventámos no MIT a interface mioneural agonista-antagonista, ou IMA, para abreviar. A IMA é um método para conetar nervos dentro de um resíduo a próteses biónicas externas. Como é o IMA projetado, e como funciona? O IMA comprime dois músculos que são conectados cirurgicamente, um agonista ligado a um antagonista. Quando o agonista se contrai via ativação elétrica, estica o antagonista. Essa interação dinâmica entre os músculos faz com que os sensores biológicos dentro do tendão do músculo enviem informações através do nervo para o sistema nervoso central sobre o comprimento, a velocidade e a força do tendão do músculo. É assim que funciona a cinestesia do tendão do músculo que é a principal maneira como nós, humanos, sentimos e percecionamos as posições, os movimentos e as forças nos membros.
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 um membro é amputado, o cirurgião liga estes músculos opostos no "residuum" para criar uma IMA — Interface Mioneural Agonista-Antagonista — Podemos criar múltiplas IMA para o controlo e a sensação de múltiplas próteses conjuntas. Colocam-se elétrodos artificiais em cada músculo da IMA, e pequenos computadores dentro do membro biónico traduzem esses sinais para controlar poderosos motores no membro biónico. Quando o membro biónico se move, os músculos da IMA movem-se de um lado para o outro, enviando sinais para o cérebro, através do nervo, permitindo que a pessoa que usa a prótese experimente sensações naturais das posições e movimentos da prótese.
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?
Podemos usar estes princípios de conceção de tecidos, em seres humanos? Há uns anos, o meu bom amigo Jim Ewing — de 34 anos — procurou-me em busca de ajuda. Ele sofrera um terrível acidente de escalada. Caíra duma altura de 15 metros nas ilhas Caimão, quando a corda não o segurou e ele embateu no solo. Sofreu múltiplas lesões: pulmões perfurados e muitos ossos partidos. Depois do acidente, sonhava voltar ao seu desporto favorito e escalar montanhas, mas como é que isso seria possível?
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 resposta era a Equipa Ciborgue, uma equipa de cirurgiões, cientistas e engenheiros reunida no MIT para recriar Jim na sua antiga forma de alpinista perito. Um membro da equipa, o Dr. Matthew Carty amputou-lhe a perna gravemente ferida em Brigham e no hospital feminino de Boston, usando o procedimento cirúrgico da IMA. Criaram-se polias dos tendões que foram ligadas ao osso da tíbia de Jim para voltar a ligar os músculos opostos. O procedimento da IMA restabeleceu a ligação nervosa entre os músculos do tornozelo de Jim e o seu cérebro. Quando Jim moveu o seu membro fantasma, os músculos reconectados moveram-se em pares dinâmicos, provocando sinais de cinestesia, enviados ao cérebro através dos nervos. Jim experimentou sensações normais ao mover a articulação do tornozelo, mesmo com os olhos vendados.
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 --
Este é Jim no laboratório do MIT depois das cirurgias. Ligámos eletricamente os músculos da IMA de Jim, através de elétrodos, a um membro biónico, e Jim aprendeu rapidamente a mover o membro biónico em quatro direções distintas de movimentos da articulação do tornozelo. Estávamos muito animados com esses resultados, mas depois Jim levantou-se e ocorreu uma coisa memorável. Toda a biomecânica natural mediada pelo sistema nervoso central emergiu através do membro sintético como uma ação involuntária, reflexa. Todas as complexidades da colocação do pé na subida de escadas...
(Applause)
(Aplausos)
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.
emergiram diante dos nossos olhos. Aqui está Jim a descer os degraus, a aproximar o dedo do pé biónico do degrau seguinte da escada, exibindo automaticamente movimentos naturais sem sequer tentar mexer o membro. Como o sistema nervoso central de Jim está a receber os sinais cinestésicos, sabe exatamente como controlar o membro sintético de forma natural.
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 move-se e comporta-se como se o membro sintético fizesse parte dele. Por exemplo, um dia no laboratório, ele acidentalmente pisou um rolo de fita isoladora. O que é que fazemos quando se cola qualquer coisa no sapato? Não nos abaixamos desse modo; isso é desconfortável. Em vez disso, sacudimos o pé. Foi exatamente o que Jim fez depois de ter sido ligado neuralmente ao membro poucas horas antes. Para mim, o mais interessante é o que Jim nos ia dizendo enquanto fazia a experiência: "O robô passou a fazer parte de mim."
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: Na manhã seguinte à primeira vez que fui ligado ao robô, a minha filha desceu as escadas e perguntou-me como me sentia enquanto ciborgue. A minha resposta foi que não me sentia como um ciborgue. Sentia-me como se tivesse a minha perna, e não como se eu estivesse acoplado ao robô mas que era o robô que estava acoplado a mim, mas que o robô fazia parte de mim. tinha-se tornado rapidamente na minha perna.
Hugh Herr: Thank you.
Hugh Herr: Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
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.
Conectar o sistema nervoso de Jim bi-direcionalmente ao seu membro sintético, permitiu alcançar a materialização neurológica Coloquei a hipótese de que, como Jim consegue pensar e mover o seu membro sintético, e como ele sente esses movimentos no seu sistema nervoso, a prótese deixa de ser uma ferramenta separada, mas uma parte integrada de Jim, uma parte integrada do seu corpo. Graças a essa materialização neurológica, Jim não se sente como um ciborgue. Sente-se como se tivesse a sua perna outra vez, como se tivesse um corpo novo.
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.
Perguntam-me com frequência quando serei ligado neuralmente ao meu membro sintético bi-direcional, quando é que vou tornar-me num ciborgue. A verdade é que estou hesitante em tornar-me num ciborgue. Antes de perder as pernas, eu era um péssimo estudante. Na escola, só tinha "medíocres" e por vezes "maus". Mas depois de os meus membros serem amputados, de repente passei a ser professor do MIT.
(Laughter)
(Risos)
(Applause)
(Aplausos)
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.
Agora receio que, depois de voltar a ser ligado neuralmente aos meus membros, o meu cérebro volta a apresentar o meu lado não tão brilhante.
(Laughter)
(Risos)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
Mas tudo bem, porque no MIT já tenho um lugar permanente
(Laughter)
(Risos)
(Applause)
(Aplausos)
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.
Acredito que usando o Modelo NeuroInserido avançaremos muito para além da simples substituição de membros e levaremos a humanidade para domínios que fundamentalmente irão redefinir o potencial humano. No século XXI, os programadores ampliarão o sistema nervoso em exoesqueletos extremamente fortes que os seres humanos poderão controlar e sentir com a sua mente. Os músculos do corpo podem ser reconfigurados para o controlo de poderosos motores, para sentir e percecionar os movimentos de exoesqueletos, aumentando a força humana, saltando mais alto e correndo mais depressa. Neste século XXI, acredito que os humanos tornar-se-ão super-heróis. Os seres humanos poderão ampliar o seu corpo para estruturas não antropomórficas, como as asas, controlando e sentindo cada asa a movimentar-se dentro do seu sistema nervoso. Leonardo da Vinci disse: "Quando experimentarmos o voo, "caminharemos para sempre com os olhos voltados para o céu, "pois já lá estivemos e sempre teremos saudades de lá voltar." Quando este século estiver a chegar ao fim, acredito que os seres humanos serão irreconhecíveis tanto na morfologia quanto na dinâmica, em relação ao que somos hoje. A humanidade voará e planará. Jim Ewing caiu por terra e ficou gravemente ferido mas virou os olhos para o céu, onde sempre desejou voltar. Depois disso, não só sonhou em voltar a andar, como voltou ao seu desporto favorito, a escalada. No MIT, a Equipa Ciborgue criou para Jim um membro especial para o mundo vertical, uma perna controlada pelo cérebro com todas as sensações de movimento. Usando esta tecnologia, Jim voltou às ilhas Caimão, o local de seu acidente, reconstruído como um ciborgue para voltar a escalar em direção ao céu.
(Crashing waves)
(Vídeo)
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
Obrigado.
(Applause)
(Aplausos)
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
Senhoras e Senhores, Jim Ewing, o primeiro ciborgue alpinista.
(Applause)
(Aplausos)