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.
Sou professor no MIT, mas não projeto prédios ou sistemas de computador. Em vez disso, construo partes do corpo, pernas biônicas que aprimoram o andar e a corrida humana.
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 de montanhismo e minhas duas pernas foram amputadas devido ao congelamento dos tecidos. Aqui, vocês podem ver minhas pernas: 24 sensores, 6 microprocessadores e atuadores iguais a tendões musculares. Sou um punhado de ferragens e parafusos do joelho para baixo. Mas com essa tecnologia biônica avançada, consigo pular, dançar e correr.
(Applause)
(Aplausos)
Thank you.
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 biônico, mas ainda não sou um ciborgue. Quando penso em mover minhas pernas, os sinais neurais do meu sistema nervoso central passam pelos meus nervos e ativam os músculos dentro dos membros residuais. Eletrodos artificiais sentem esses sinais, e pequenos computadores no membro biônico decodificam meus impulsos nervosos nos movimentos que quero fazer. Basicamente, quando penso em me mover, o comando é enviado para a parte sintética do meu corpo. Mas esses computadores não conseguem enviar informações ao meu sistema nervoso. Quando toco ou movo meus membros sintéticos, não experimento sensações normais de toque ou movimento. Se eu fosse um ciborgue e pudesse sentir minhas pernas via pequenos computadores que enviassem informações ao meu sistema nervoso, acredito que isso mudaria completamente minha relação com as partes sintéticas do meu corpo. Hoje, não sinto minhas pernas, e, por conta disso, minhas pernas são ferramentas separadas da minha mente e do meu corpo. Não são partes de mim. Acredito que se eu fosse um ciborgue e pudesse sentir minhas pernas, elas poderiam ser parte de mim.
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 pensando sobre Design Neuroincorporado. Nesse processo de design, os designers projetam carne e ossos humanos, o próprio corpo biológico, em conjunto com o sintético, para aumentar a comunicação bidirecional entre o sistema nervoso e o mundo construído. O Design Neuroincorporado é uma metodologia para criar ciborgues. Nesse processo, os designers consideram um futuro em que a tecnologia não separa mais ferramentas sem vida de nossos corpos e mentes, um futuro em que a tecnologia é cuidadosamente integrada em nossa natureza, um mundo onde o que é biológico e o que não é, o que é humano e o que não é, o que é natureza e o que não é, será para sempre indefinido. Esse futuro proporcionará à humanidade novos corpos. O Design Neuroincorporado expandirá nosso sistema nervoso ao mundo sintético, e o mundo sintético a nós, modificando substancialmente quem somos. Projetando o corpo biológico para se comunicar melhor com o mundo construído, a humanidade acabará com as deficiências no século 21 e estabelecerá uma base científica e tecnológica para a ampliação humana, aumentando a capacidade humana além do inato, dos níveis psicológicos, cognitivos, emocionais e físicos.
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.
Existem muitas maneiras de construir novos corpos em escala, desde a biomolecular até tecidos e órgãos. Hoje, quero falar de uma área do Design Neuroincorporado na qual os tecidos corpóreos são manipulados e esculpidos usando processos cirúrgicos e regenerativos. O atual paradigma da amputação não mudou muito desde a Guerra Civil Americana e se tornou obsoleta com as mudanças radicais em atuadores, sistemas de controle e tecnologias de interface neural. A maior deficiência é a falta de interações musculares dinâmicas para controle 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? Ao flexionar o tornozelo, os músculos à frente da perna se contraem, esticando simultaneamente os músculos na parte de trás. O oposto ocorre quando o tornozelo é estendido. Os músculos de trás da perna se contraem, alongando os músculos na frente. Quando os músculos flexionam e estendem, sensores biológicos dentro dos tendões musculares enviam informações através dos nervos para o cérebro. Assim você é capaz de sentir onde seus pés estão sem precisar olhá-los.
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 essa dinâmica de relação muscular, e fazer isso elimina as sensações cinestésicas normais. Consequentemente, um membro artificial padrão não pode enviar informações de volta ao sistema nervoso sobre onde a prótese está no espaço. O paciente, portanto, não pode perceber e sentir a posição e os movimentos da junta protética sem olhá-la. Minhas pernas foram amputadas usando a metodologia da Guerra Civil Americana. Eu posso sentir meus pés, posso senti-los agora mesmo como uma existência fantasma. Mas quando tento movê-los, não posso. Parece que estão presos dentro de botas de esqui duras.
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, no MIT, inventamos a interface mioneural agonista-antagonista, ou IMA, para resumir. A IMA é um método para conectar os nervos dentro do resíduo a uma prótese biônica externa. Como a IMA é projetada e como funciona? A IMA inclui dois músculos cirurgicamente conectados, um agonista conectado a um antagonista. Quando o agonista contrai sob ativação elétrica, ele estica o antagonista. Essa interação muscular dinâmica faz os sensores biológicos dentro dos tendões musculares enviarem informações através do nervo para o sistema nervoso central, informações relativas ao comprimento, velocidade e força do tendão muscular. É assim que a cinestesia do tendão muscular age, e essa é a principal maneira que nós, como humanos, podemos perceber e sentir as posições, movimentos e forças em nossos 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 conecta a parte oposta dos músculos com o resíduo para criar uma IMA. Múltiplas IMAs podem ser criadas para controlar e sentir múltiplas juntas protéticas. Elétrodos artificiais são então postos em cada músculo IMA, e pequenos computadores dentro do membro biônico decodificam esses sinais para controlar poderosos motores no membro biônico. Quando o membro biônico se move, os músculos IMA recuam ou avançam, enviando sinais através dos nervos ao cérebro, permitindo que a pessoa com a prótese experimente sensações naturais de posição e movimento de sua 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?
Os princípios de design de tecidos podem ser usados em um ser humano de verdade? Alguns anos atrás, meu amigo Jim Ewing, de 34 anos, procurou minha ajuda. Jim sofreu um terrível acidente de alpinismo. Ele caiu de uma altura de 15m nas Ilhas Cayman quando sua corda falhou e ele chocou-se contra o chão. Ele sofreu muitas lesões: pulmões perfurados e muitos ossos quebrados. Depois de seu acidente, ele sonhou em retornar ao seu esporte favorito, o alpinismo, mas como 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 Equipe Ciborgue, uma equipe de cirurgiões, cientistas e engenheiros reunidos no MIT para reconstruir Jim, devolvendo suas habilidades de alpinista. O Dr. Matthew Carty amputou a perna de Jim que estava gravemente lesionada, no Brigham and Women's Hospital em Boston, usando o procedimento cirúrgico IMA. Polias de tendão foram criadas e anexadas ao osso da tíbia de Jim, para reconectar os músculos opostos. O procedimento IMA reestabeleceu a conexão neural entre os músculos do pé e tornozelo de Jim e seu cérebro. Quando Jim move seu membro fantasma, os músculos reconectados se movem em pares dinâmicos, originando sinais de cinestesia que passam através de seus nervos até o cérebro. Assim Jim experimenta sensações normais com as posições e movimentos dos pés, mesmo quando vendado.
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 --
Aqui está Jim no laboratório do MIT depois das cirurgias. Ligamos eletricamente os músculos IMA de Jim, via eletrodos, ao membro biônico. Jim aprendeu rapidamente a mover sua perna biônica em quatro direções distintas de movimento dos pés e tornozelo. Ficamos empolgados com os resultados, mas então Jim se levantou, e o que ocorreu foi extraordinário. Toda a biomecânica natural mediada pelo sistema nervoso central emergiu pelo membro sintético como uma ação reflexiva e involuntária. Toda a complexidade do arranjo do pé, durante a subida na escada,
(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.
manifestou-se diante de nós. Aqui é Jim descendo, alcançando com seu dedo biônico o próximo degrau da escada, exibindo movimentos naturais automaticamente, sem nem mesmo tentar mover a perna. Como o sistema nervoso central de Jim estava recebendo sinais cinestésicos, ele sabia exatamente como controlar o membro biônico de maneira 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 se move e se comporta como se a perna sintética fosse parte dele. Por exemplo, um dia no laboratório, ele acidentalmente pisou em um rolo de fita isolante. O que você faz quando alguma coisa gruda no seu sapato? Você não tenta pegar assim, é um jeito muito estranho. Em vez disso, você sacode, e foi exatamente o que Jim fez após ser neuronicamente conectado à sua perna algumas horas antes. O mais interessante para mim foi o que Jim disse estar experimentando. Ele disse: "O robô se tornou 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 após a primeira vez em que fui anexado ao robô, minha filha desceu as escadas e perguntou como me sentia sendo um ciborgue. Respondi que não me sentia um ciborgue, sentia como se tivesse minha perna, e ela não estava anexada a um robô e muito menos o robô anexado a mim. O robô se tornou parte de mim, se tornou minha perna muito rapidamente.
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.
Ao conectar o sistema nervoso de Jim de maneira bidirecional ao seu membro sintético, a incorporação neurológica foi conquistada. Admiti a hipótese de que, como Jim pode pensar e mover sua perna artificial, e como pode sentir tais movimentos em seu sistema nervoso, a prótese não é mais uma ferramenta separada, mas uma parte integral de Jim, uma parte integral de seu corpo. Por conta da incorporação neurológica, Jim não se sente um ciborgue. Ele sente como se tivesse sua perna de volta, que teve seu corpo de volta.
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.
Com frequência perguntam quando serei conectado neuronicamente às minhas pernas bidirecionalmente, quando me tornarei um ciborgue. A verdade é que estou hesitando em ser um ciborgue. Antes de minhas pernas serem amputadas, eu era um aluno terrível. Tirava D e frequentemente F na escola. Depois que minhas pernas foram amputadas, tornei-me, de repente, 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.
Fico preocupado que, quando conectado neuronicamente às minhas pernas novamente, meu cérebro retorne ao seu estado não tão brilhante.
(Laughter)
(Risos)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
Mas sabem de uma coisa, tudo bem, como estou no MIT, já tenho estabilidade.
(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 o Design Neuroincorporado se expandirá além da substituição de membros e vai levar a humanidade a domínios que fundamentalmente redefinirão o potencial humano. Neste século 21, designers expandirão o sistema nervoso em fortes e poderosos exoesqueletos, que os humanos poderão controlar e sentir com suas mentes. Músculos no corpo poderão ser reconfigurados para o controle de poderosos motores, e para perceber e sentir os movimentos exoesqueléticos, aumentando a força humana, a altura de pulo e a velocidade de corrida. No século 21, acredito que humanos se tornarão super-heróis. Humanos também poderão expandir seus corpos com estruturas não antropomórficas, como asas, controlando e sentindo cada movimento das asas em seu sistema nervoso. Leonardo da Vinci disse: "Quando você experimentar voar, andará para sempre na terra com os olhos voltados aos céus por lá ter estado e para lá desejar retornar". Ao crepúsculo deste século, acredito que humanos serão irreconhecíveis em questões como morfologia e dinâmica em comparação ao que somos hoje. A humanidade vai decolar e subir muito alto. Jim Ewing caiu na terra e sofreu muitas lesões, mas seus olhos se voltaram aos céus, para onde sempre desejou retornar. Após seu acidente, ele não só sonhou em andar de novo, mas também em retornar ao seu esporte favorito, o alpinismo. No MIT, a Equipe Ciborgue construiu para Jim uma perna para o mundo vertical, uma perna controlada pelo cérebro com sensação total de movimento e posição. Usando essa tecnologia, Jim retornou às Ilhas Cayman, ao local de seu acidente, reconstruído como um ciborgue, para escalar aos céus mais uma vez.
(Crashing waves)
(Ondas quebrando)
(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 montanhista.
(Applause)
(Aplausos)