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.
Я профессор в МТИ, но я не проектирую здания и не разрабатываю компьютерные системы. Я конструирую части тела: бионические ноги с улучшенными возможностями для ходьбы и бега.
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.
В 1982 году я пострадал во время горного восхождения, и обе мои ноги пришлось ампутировать из-за повреждения тканей от обморожения. Можете посмотреть на мои ноги: 24 сенсора, шесть микропроцессоров и механизмы, подобные мышцам и сухожилиям. По сути, ниже колена я состою из гаек и болтов. Но с этой новейшей бионической технологией я могу прыгать, бегать и танцевать.
(Applause)
(Аплодисменты)
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Я бионический человек, но ещё не киборг. Когда я хочу сделать движение ногами, нервные импульсы из моей ЦНС проходят по моим нервам и приводят в действие мышцы в остатке моей ноги. Эти импульсы улавливаются искусственными электродами, и мини-компьютеры в бионической ноге превращают нервные импульсы в движение, которое я хочу сделать. Проще говоря, когда я хочу сделать движение, в механическую часть моего тела поступает команда. Однако эти компьютеры не могут передавать информацию в мою нервную систему. Когда я делаю движение механическими ногами или прикасаюсь к ним, я не испытываю нормального чувства осязания или движения. Если бы я был киборгом и мог бы чувствовать свои ноги через мини-компьютеры, передающие информацию в мою нервную систему, то, я думаю, это бы в корне изменило моё отношение к механической части моего тела. Сегодня я не чувствую ног, и по этой причине они для меня — просто механизмы, отдельные от моего тела и разума. Они не являются частью меня. Думаю, если бы я был киборгом и мог бы чувствовать свои ноги, они бы стали частью меня, частью моего «я».
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.
В МТИ мы работаем над NeuroEmbodied Design. В ходе такой разработки разработчик проектирует плоть и кости человека — само биологическое тело — и механику, чтобы улучшить двустороннюю связь между нервной системой и искусственным миром. NeuroEmbodied Design — это метод создания кибернетического взаимодействия. В ходе такой разработки разработчики видят перед собой будущее, где технологии — это уже не компромисс, не безжизненные механизмы, отдельные от тела и разума; будущее, где технологии полностью объединены с нашей природой; мир, где грань между биологическим и небиологическим, человеческим и нечеловеческим, естественным и неестественным навсегда будет стёрта. Это будущее даст людям новые тела. NeuroEmbodied Design откроет нашей нервной системе доступ в механический мир, а механическому миру — в нас, что в корне изменит то, кем мы являемся. Если сделать биологическое тело более приспособленным для общения с искусственно спроектированным миром, то к концу XXI века человечество положит конец инвалидности и заложит научную и технологическую основу для улучшения человека, для расширения человеческих возможностей за пределы врождённого и физиологического на когнитивном, эмоциональном и физическом уровне.
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.
Есть много способов для массового создания новых тел: от биомолекулярного метода до выращивания тканей и органов. Сегодня я хочу поговорить об одной области NeuroEmbodied Design, где мы перестраиваем и формируем ткани человеческого тела с помощью хирургических и регенеративных процессов. Нынешняя процедура ампутации почти не изменилась со времён Гражданской войны в США, и она безнадёжно устарела в свете значительного прогресса исполнительных механизмов, систем контроля и технологий нейронных связей. Её серьёзный недостаток — отсутствие динамических взаимодействий мышц для управления и проприоцепции.
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.
Что же такое проприоцепция? Когда вы тянете ступню на себя, мышцы в передней части ноги сокращаются, а мышцы в задней части ноги одновременно растягиваются. А если потянуть ступню от себя, то происходит обратное: мышцы в задней части ноги сокращаются, а в передней — растягиваются. Когда эти мышцы сокращаются и расслабляются, биологические датчики в сухожилиях мышц передают эту информацию по нервам в мозг. Так мы чувствуем, где находятся наши ступни, даже если не видим их.
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.
Нынешняя процедура ампутации разрывает эти динамические мышечные взаимодействия, тем самым препятствуя нормальным проприоцептивным ощущениям. Это значит, что стандартный протез не может передать нервной системе информацию о том, где он находится в пространстве. Следовательно, пациент не чувствует и не ощущает положение своего протеза и движение его суставов, если не видит их своими глазами. Мои ноги ампутировали именно по этой методике времён Гражданской войны. Я чувствую свои ноги, чувствую их прямо сейчас, как фантомные конечности. Но пошевелить ими я не могу. Кажется, будто они в твёрдых лыжных ботинках.
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.
Для решения этих проблем мы изобрели в МТИ агонистический-антагонистический мионевральный интерфейс, сокращённо АМИ. Метод АМИ соединяет нервы в остатке конечности с внешним бионическим протезом. Как устроен АМИ и как он работает? АМИ состоит из двух хирургически связанных мышц — агониста и антагониста. Когда при электрической активации агонист сокращается, то антагонист растягивается. Благодаря такому динамическому взаимодействию мышц биологические сенсоры в мышечном сухожилии отправляют по нерву в ЦНС информацию о длине, скорости и силе мышечного сухожилия. Именно так работает проприоцепция мышечных сухожилий, и это главный способ, каким мы, люди, чувствуем и ощущаем положение, движение и силу наших конечностей.
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.
Если конечность ампутирована, хирург соединяет эти противодействующие мышцы в остатке конечности и создаёт АМИ. Можно создать и несколько АМИ, чтобы управлять суставами нескольких протезов и ощущать их. Затем на каждую мышцу АМИ ставятся искусственные электроды, сигналы от которых расшифровывают мини-компьютеры в бионической конечности, чтобы управлять мощными двигателями в этой конечности. При движении бионической конечности мышцы АМИ движутся вперёд и назад, отправляя сигналы через нерв в мозг и позволяя человеку испытывать естественные ощущения от движений протеза и его нахождения в пространстве.
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?
Можно ли использовать эти принципы разработки тканей на настоящем человеке? Несколько лет назад мой дорогой друг Джим Юинг — мы дружим уже 34 года — попросил меня о помощи. С Джимом произошло ужасное несчастье. Во время скалолазания на Каймановых островах он упал с 15-метровой высоты, когда верёвка не смогла его удержать. Он получил много, много травм: пробитые лёгкие и многочисленные переломы костей. После трагедии он мечтал вернуться к любимому виду спорта, скалолазанию, но как можно было сделать это возможным?
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.
Ответом стала «Команда Киборг» — команда хирургов, учёных и инженеров, которые собрались в МТИ, чтобы вновь позволить Джиму подниматься в горы. Доктор из команды, Мэттью Карти, ампутировал сильно пострадавшую ногу Джима в женской больнице Бригхэма в Бостоне, используя хирургическую процедуру АМИ. Были созданы блоки сухожилий и прикреплены к большой берцовой кости, чтобы соединить противодействующие мышцы. Процедура АМИ восстановила у Джима нервную связь между мышцами голеностопа и мозгом. Когда Джим делает движение своей фантомной конечностью, вновь связанные мышцы двигаются в динамических парах, и сигналы проприоцепции проходят через нервы в мозг, поэтому Джим чувствует положение и движения голеностопного сустава даже с закрытыми глазами.
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 --
Вот Джим в лаборатории МТИ после всех операций. Через электроды мы электрически подсоединили АМИ-мышцы Джима к бионической конечности, и Джим быстро научился двигать ей в четырёх различных направлениях. Мы были рады уже этим результатам, но потом Джим встал на ноги, и то, что произошло, было поистине поразительно. Вся естественная биомеханика, идущая от ЦНС, проявилась в механической конечности как непроизвольное, рефлексивное действие. Все тонкости движения ступни во время подъёма по лестнице...
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
предстали у нас перед глазами. Вот Джим спускается по лестнице, тянется бионическим пальцем ноги к следующей ступеньке, автоматически демонстрируя естественные движения без какого-либо преднамеренного действия с его стороны. Поскольку ЦНС Джима получает проприоцептивные сигналы, она точно знает, как управлять механической ногой естественным образом.
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."
Теперь Джим ходит и ведёт себя так, словно механическая нога — это часть его самого. Например, однажды в лаборатории он случайно наступил на рулон изоленты. Что вы делаете, когда что-то прилипло к вашей обуви? Вы так не наклоняетесь, это слишком неуклюже. Нет, вы трясёте ногой, и именно так сделал Джим всего после нескольких часов нервной связи с протезом. Самым интересным для меня был рассказ Джима о том, что он испытывал. Он сказал: «Робот стал частью меня».
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.
Джим Юинг: На следующее утро после того, как меня впервые подсоединили к роботу, моя дочь подошла ко мне и спросила, каково это — быть киборгом. Я ответил ей, что не чувствовал себя киборгом. Я чувствовал, будто вернул свою ногу, и что не я подсоединён к роботу, а скорее робот подсоединён ко мне и робот стал частью меня. Он очень быстро стал моей ногой.
Hugh Herr: Thank you.
Хью Герр: Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Двунаправленно соединив нервную систему Джима и механическую ногу, мы достигли неврологического слияния. Я предположил, что, поскольку Джим может двигать механической ногой силой мысли и поскольку он чувствует эти движения в своей нервной системе, протез уже является не отдельным механизмом, а неотъемлемой частью Джима, неотъемлемой частью его тела. Благодаря неврологическому слиянию Джим не чувствует себя киборгом. Он просто чувствует, что вернул себе ногу, что вернул себе тело.
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.
Меня часто спрашивают, когда я сам установлю двустороннюю нервную связь со своими протезами, когда я сам стану киборгом. Но правда в том, что я пока не решаюсь стать киборгом. До того, как мне ампутировали ноги, я очень плохо учился. В школе я получал тройки с минусом, а то и двойки. А после ампутации я вдруг стал профессором в МТИ.
(Laughter)
(Смех)
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
И я опасаюсь, что, восстановив нервную связь с ногами, мой мозг снова вернётся в своё не самое умное состояние.
(Laughter)
(Смех)
But you know what, that's OK, because at MIT, I already have tenure.
Хотя, знаете, почему бы и нет — у меня уже есть постоянная должность в МТИ.
(Laughter)
(Смех)
(Applause)
(Аплодисменты)
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.
Я верю, что NeuroEmbodied Design выйдет далеко за пределы протезирования и приведёт человечество в миры, в корне меняющие определение человеческого потенциала. В нашем XXI веке учёные откроют нервной системе доступ к чрезвычайно сильным экзоскелетам, которыми можно будет управлять и которые можно будет ощущать силой мысли. Мышцы в теле могут быть перенастроены для управления мощными двигателями, а также для восприятия и ощущения движений экзоскелета, чтобы увеличить силу человека, высоту прыжка и скорость бега. Я верю, что в нашем XXI веке люди станут супергероями. Возможно, люди также смогут добавлять себе и нечеловеческие части тела, например, крылья, управляя каждым их движением и ощущая их в нервной системе. Леонардо да Винчи говорил: «Испытай полёт один раз, и твои глаза навечно будут устремлены в небо. Однажды там побывав, на всю жизнь ты обречен тосковать о нём». Я верю, что на закате этого века строение и динамика человеческого тела будут до неузнаваемости отличаться от того, какие они у нас сегодня. Человечество поднимется в небо и будет летать. Джим Юинг упал на землю и серьёзно пострадал, но его глаза устремились в небо, о котором он всегда тосковал. После трагедии он мечтал не только снова встать на ноги, но и вернуться к любимому виду спорта — скалолазанию. Специально для Джима команда Киборг в МТИ сделала протез для вертикального мира: ногу, управляемую мозгом, с полными ощущениями положения и движения. С этой технологией Джим вернулся на Каймановы острова, где с ним произошёл несчастный случай, став киборгом, чтобы снова пойти в горы и добраться до неба.
(Crashing waves)
(Шум волн)
(Applause)
(Аплодисменты)
Thank you.
Спасибо.
(Applause)
(Аплодисменты)
Ladies and gentlemen, Jim Ewing, the first cyborg rock climber.
Дамы и господа, Джим Юинг, первый киборг-скалолаз в мире.
(Applause)
(Аплодисменты)