Heute möchte ich mit Ihnen über Bionik reden. Das ist die allgemeine Bezeichnung für die Wissenschaft die Teile eines lebenden Organismus durch ein mechatronisches Gerät ersetzt, oder einen Roboter. Im wesentlichen trifft Leben auf Maschine. Speziell möchte ich mit Ihnen darüber reden wie sich Bionik entwickelt für Menschen mit Armamputationen.
So today, I would like to talk with you about bionics, which is the popular term for the science of replacing part of a living organism with a mechatronic device, or a robot. It is essentially the stuff of life meets machine. And specifically, I'd like to talk with you about how bionics is evolving for people with arm amputations.
Das ist unsere Motivation. Eine Armamputation ist eine starke Behinderung. Ich meine, die funktionelle Beeinträchtigung ist klar. Unsere Hände sind beeindruckende Werkzeuge. Und wenn man eine verliert, geschweige denn beide, ist es viel schwerer Dinge zu tun, die wir physisch tun müssen. Es gibt auch eine große emotionale Auswirkung. Tatsächlich verbinge ich genausoviel Zeit in der Klinik wegen der emotionalen Bewältigung der Patienten, wie der physischen Behinderung. Letztendlich gibt es eine umfassende soziale Auswirkung. Wir artikulieren mit unseren Händen. Wir grüßen mit unseren Händen. Wir interagieren mit der Welt durch unsere Hände. Wenn sie fehlen, gibt es eine Beschränkung. Armamputation ist normalerweise die Folge von Gewalteinwirkung, wie zum Beispiel Industrieunfälle, Motorradunfälle, oder, sehr bewegend, Krieg. Es gibt auch Kinder die ohne Arme geboren werden, genannt "angeborenes Gliedmaßenfehlen".
This is our motivation. Arm amputation causes a huge disability. I mean, the functional impairment is clear. Our hands are amazing instruments. And when you lose one, far less both, it's a lot harder to do the things we physically need to do. There's also a huge emotional impact. And actually, I spend as much of my time in clinic dealing with the emotional adjustment of patients as with the physical disability. And finally, there's a profound social impact. We talk with our hands. We greet with our hands. And we interact with the physical world with our hands. And when they're missing, it's a barrier. Arm amputation is usually caused by trauma, with things like industrial accidents, motor vehicle collisions or, very poignantly, war. There are also some children who are born without arms, called congenital limb deficiency.
Unglücklichweise sind wir nicht sehr gut mit Prothesen für obere Extremitäten. Es gibt zwei allgemeine Arten. Sie werden körpergetriebene Prothesen genannt, welche im amerikanischen Bürgerkrieg erfunden, und im ersten und zweiten Weltkrieg verbessert wurden. Hier sehen Sie ein Patent für einen Arm von 1912. Es gibt keine großen Unterschied zu dem den Sie an meinem Patienten sehen. Sie arbeiten mit Schulterkraft. Wenn Sie ihre Schulter bewegen, zieht es an einem Bowdenzug. Der Bowdenzug kann dann eine Hand oder einen Haken öffnen oder schließen oder einen Ellbogen biegen. Wir verwenden sie noch häufig, denn es sind sehr robuste und relativ einfache Geräte.
Unfortunately, we don't do great with upper-limb prosthetics. There are two general types. They're called body-powered prostheses, which were invented just after the Civil War, refined in World War I and World War II. Here you see a patent for an arm in 1912. It's not a lot different than the one you see on my patient. They work by harnessing shoulder power. So when you squish your shoulders, they pull on a bicycle cable. And that bicycle cable can open or close a hand or a hook or bend an elbow. And we still use them commonly, because they're very robust and relatively simple devices.
Der Stand der Technik sind was wir myoelektrische Prothesen nennen. Es sind motorisierte Geräte, die durch schwache elektrische Signale von Ihrem Muskel kontrolliert werden. Jedesmal wenn Sie einen Muskel anspannen, sendet er etwas Elektrizität aus die Sie mit Antennen oder Elektroden messen können und für den Betrieb der motorisierten Prothese verwenden können. Sie funktionieren ziemlich gut für Menschen, die nur ihre Hand verloren haben, denn ihre Handmuskeln sind noch da. Sie drücken ihre Hand und diese Muskeln spannen sich an. Sie öffnen, diese Muskeln spannen sich an. Es ist intuitiv und funktioniert ziemlich gut.
The state of the art is what we call myoelectric prostheses. These are motorized devices that are controlled by little electrical signals from your muscle. Every time you contract a muscle, it emits a little electricity that you can record with antennae or electrodes and use that to operate the motorized prosthesis. They work pretty well for people who have just lost their hand, because your hand muscles are still there. You squeeze your hand, these muscles contract. You open it, these muscles contract. So it's intuitive, and it works pretty well.
Aber was ist mit höheren Amputationen? Sie haben ihren Arm oberhalb des Ellenbogens verloren. Ihnen fehlen nicht nur diese Muskeln, sondern auch Ihre Hand und Ihr Ellenbogen. Was tut man? Unsere Pateien müssen codierte Systeme verwenden indem sie ihre Arm Muskeln benutzen um Robotergliedmaße zu verwenden. Wir haben Robotergliedmaße. Es sind verschiedene auf dem Markt, hier sehen Sie ein paar. Sie beinhalten eine Hand die sich öffnet und schließt, einen Gelenkrotierer und einen Ellenbogen. Es gibt keine weiteren Funktionen. Wenn sie hätten, wie würden wir ihnen sagen was zu tun ist?
Well how about with higher levels of amputation? Now you've lost your arm above the elbow. You're missing not only these muscles, but your hand and your elbow too. What do you do? Well our patients have to use very code-y systems of using just their arm muscles to operate robotic limbs. We have robotic limbs. There are several available on the market, and here you see a few. They contain just a hand that will open and close, a wrist rotator and an elbow. There's no other functions. If they did, how would we tell them what to do?
Wir stellen unseren eigenen Arm am "Rehab Institute of Chicago" her, wo wir zusätzliche Gelenkbeugen und Schultergelenke eingebaut haben um bis zu sechs Motoren oder sechs Freiheitsgrade zu haben. Wir hatten die Möglichkeit mit einigen sehr modernen Armen zu arbeiten, welche vom US Militär bezahlt wurden, diese Prototypen hatten bis zu 10 Freiheitsgrade inklusive beweglicher Hände. Aber letztendlich wie sagen wir diesen Roboterarmen was zu tun ist? Wie bedienen wir sie? Nun wir brauchen ein neurales Interface, einen Weg unser Nervensystem oder unsere Gedanken zu verbinden, so dass es intuitiv, natürlich wird, wie für Sie und mich.
We built our own arm at the Rehab Institute of Chicago where we've added some wrist flexion and shoulder joints to get up to six motors, or six degrees of freedom. And we've had the opportunity to work with some very advanced arms that were funded by the U.S. military, using these prototypes, that had up to 10 different degrees of freedom including movable hands. But at the end of the day, how do we tell these robotic arms what to do? How do we control them? Well we need a neural interface, a way to connect to our nervous system or our thought processes so that it's intuitive, it's natural, like for you and I.
Der Körper funktioniert, indem ein Bewegungssignal in Ihrem Gehirn startet, entlang dem Rückenmark, aus den Nerven und dann in die Peripherie. Sinneseindrücke sind das exakte Gegenteil. Sie berühren sich, es gibt einen Reiz, der genau die gleichen Nerven entlang zum Gehirn geht. Wenn Sie ihren Arm verlieren, funktioniert das Nervensystem immer noch. Diese Nerven können Bewegungssignale aussenden. Wenn ich das Nervenende eines Veteranen des zweiten Weltkriegs berühre, wird er immer noch seine fehlende Hand spüren. Nun sagen Sie vielleicht, auf zum Gehirn und stecken wir etwas hinein das die Signale empfängt, oder in das Ende der peripheren Nerven und dort die Signale aufzeichnet. Das sind sehr spannende Forschungsbereiche, aber es ist sehr,sehr schwer. Man muss hunderte mikroskopisch dünne Kabel hinein tun um von kleinen winzigen individuellen Neuronen zu empfangen - gewöhnliche Fasern die winzige Mikrovolt- Signale aussenden. Es ist einfach zu schwer, das jetzt und für meine Patienten zu verwenden.
Well the body works by starting a motor command in your brain, going down your spinal cord, out the nerves and to your periphery. And your sensation's the exact opposite. You touch yourself, there's a stimulus that comes up those very same nerves back up to your brain. When you lose your arm, that nervous system still works. Those nerves can put out command signals. And if I tap the nerve ending on a World War II vet, he'll still feel his missing hand. So you might say, let's go to the brain and put something in the brain to record signals, or in the end of the peripheral nerve and record them there. And these are very exciting research areas, but it's really, really hard. You have to put in hundreds of microscopic wires to record from little tiny individual neurons -- ordinary fibers that put out tiny signals that are microvolts. And it's just too hard to use now and for my patients today.
Also entwickelten wir einen anderen Ansatz. Wir verwenden biologische Verstärker um diese Nervensignale zu verstärken - Muskeln. Muskeln verstärken das Nervensignal um das Tausendfache, sodass wir sie von der Haut aus messen können, wie Sie vorher gesehen haben. Unser Ansatz ist etwas was wir "gezielte Reinnervation" nennen. Stellen Sie sich vor, jemand hat seinen ganzen Arm verloren, wir haben noch vier große Nerven die den Arm entlang gehen. Wir nehmen den Nerv vom Brustmuskel und lassen diese Nerven hinein wachsen. Jetzt denken Sie, "Hand schließen", und ein kleiner der Teil Brust kontrahiert. Sie denken, "Ellenbogen beugen", und ein anderer Teil kontrahiert. Wir können Elektroden oder Antennen verwenden um das aufzunehmen und die Armbewegung zu steuern. Das ist die Idee.
So we developed a different approach. We're using a biological amplifier to amplify these nerve signals -- muscles. Muscles will amplify the nerve signals about a thousand-fold, so that we can record them from on top of the skin, like you saw earlier. So our approach is something we call targeted reinnervation. Imagine, with somebody who's lost their whole arm, we still have four major nerves that go down your arm. And we take the nerve away from your chest muscle and let these nerves grow into it. Now you think, "Close hand," and a little section of your chest contracts. You think, "Bend elbow," a different section contracts. And we can use electrodes or antennae to pick that up and tell the arm to move. That's the idea.
Das ist der erste Mensch an dem wir es versuchten. Sein Name ist Jesse Sullivan. Er ist einfach ein Heiliger von einem Mann - 54jähriger Leitungsmonteur der das falsche Kabel berührte und beide Arme so schwer verbrannte, dass sie bis zur Schulter amputiert werden mussten. Jesse kam zu uns an das RIC um mit den neuesten Geräten ausgestattet zu werden, hier sehen Sie ihn. Ich verwende noch immer die alte Technologie mit dem Bowdenzug auf der rechten Seite. Er wählt mit den Kinnschaltern aus welches Gelenk er bewegen möchte. Auf der linken Seite hat er eine moderne motorisierte Prothese mit diesen drei Gelenken, er arbeitet mit kleinen Auflagen in seiner Schulter die er berührt um den Arm zu bewegen. Jesse ist ein guter Kranführer, er kam verhältnismäßig gut zurecht.
So this is the first man that we tried it on. His name is Jesse Sullivan. He's just a saint of a man -- 54-year-old lineman who touched the wrong wire and had both of his arms burnt so badly they had to be amputated at the shoulder. Jesse came to us at the RIC to be fit with these state-of-the-art devices, and here you see them. I'm still using that old technology with a bicycle cable on his right side. And he picks which joint he wants to move with those chin switches. On the left side he's got a modern motorized prosthesis with those three joints, and he operates little pads in his shoulder that he touches to make the arm go. And Jesse's a good crane operator, and he did okay by our standards.
Er brauchte auch eine Korrekturoperation an seiner Brust. Das gab uns die Möglichkeit für eine gezielte Reinnervation. Mein Kollege, Dr. Greg Dumanian, machte die Operation. Zuerscht schnitten wir den Nerv zu seinem eigenen Muskel weg, dann nahmen wir die Armnerven und verlegten sie sozusagen auf seine Brust und nähten ihn zu. Nach circa drei Monaten, wuchsen die Nerven etwas und wir bekamen ein Zucken. Nach sechs Monaten, wuchsen die Nerven gut ein, man konnte starke Kontraktionen sehen. So sieht das nun aus. Das passiert wenn Jesse daran denkt seine Hand zu öffen und zu schließen, oder Ellbogen beugen oder strecken. Sie können die Bewegungen an der Brust sehen, diese kleinen Kreuze markieren, wo wir unsere Antennen oder Elektroden befestigen. Ich fordere jeden im Raum auf seine Brust so zu bewegen. Sein Gehirn denkt an seinen Arm. Er hat nicht gelernt, wie er das mit seiner Brust macht. Es gibt keinen Lernprozess. Darum ist es intuitiv.
He also required a revision surgery on his chest. And that gave us the opportunity to do targeted reinnervation. So my colleague, Dr. Greg Dumanian, did the surgery. First, we cut away the nerve to his own muscle, then we took the arm nerves and just kind of had them shift down onto his chest and closed him up. And after about three months, the nerves grew in a little bit and we could get a twitch. And after six months, the nerves grew in well, and you could see strong contractions. And this is what it looks like. This is what happens when Jesse thinks open and close his hand, or bend or straighten your elbow. You can see the movements on his chest, and those little hash marks are where we put our antennae, or electrodes. And I challenge anybody in the room to make their chest go like this. His brain is thinking about his arm. He has not learned how to do this with the chest. There is not a learning process. That's why it's intuitive.
Hier ist Jesse in unserem ersten kleinen Test. Auf der linken Seite sehen Sie seine Original-Prothese, er verwendet diese Schalter, um kleine Blöcke von einer Box in in die andere zu bewegen. Er hat den Arm seit etwa 20 Monaten, er kommt also ziemlich gut klar. Auf der rechten Seite, zwei Monate nachdem wir ihn mit der gezielten Reinnvervationsprothese ausgestattet haben - welcher, nebenbei gesagt, der gleiche physische Arm ist, nur etwas anders programmiert - Sie können sehen, dass er viel schneller ist und viel geschmeidiger, wenn er die kleinen Blöcke bewegt. Und wir sind gerade nur fähig drei der Signale zu verwenden.
So here's Jesse in our first little test with him. On the left-hand side, you see his original prosthesis, and he's using those switches to move little blocks from one box to the other. He's had that arm for about 20 months, so he's pretty good with it. On the right side, two months after we fit him with his targeted reinnervation prosthesis -- which, by the way, is the same physical arm, just programmed a little different -- you can see that he's much faster and much smoother as he moves these little blocks. And we're only able to use three of the signals at this time.
Dann hatten wir eine der kleinen Überraschungen der Wissenschaft. Nun wir hätten alle gern motorische Befehle, um Roboterarme zu bewegen. Nach ein paar Monaten, wenn man Jesses Brust berührt, so spührt er seine fehlende Hand. Sein Handgefühl wuchs wieder in seine Brust, wahrscheinlich weil wir auch eine Menge Fett weg genommen haben, damit die Haut gleich über dem Muskel war, wenn man so will, deinnervierten wir seine Haut. Wenn man Jesse hier berührt, spürt er seinen Daumen; man berührt hier, spürt er seinen kleinen Finger. Er spürt leichte Berührungen bis zu einem Gramm Last. Er fühlt heiß, kalt, scharf, stumpf, alles in seiner fehlenden Hand, oder beides seiner Hand und seiner Brust, aber er kann beides bedienen. Das ist nun wirklich spannend für uns, denn jetzt haben wir ein Portal, ein Portal, oder ein Weg potenziell Reize zurückzugeben, so dass er vielleicht spürt, was er mit seiner Handprothese berührt. Stellen Sie sich Sensoren in der Hand vor die herauskommen und auf die neue Haut der Hand drücken. Es war sehr spannend.
Then we had one of those little surprises in science. So we're all motivated to get motor commands to drive robotic arms. And after a few months, you touch Jesse on his chest, and he felt his missing hand. His hand sensation grew into his chest again probably because we had also taken away a lot of fat, so the skin was right down to the muscle and deinnervated, if you would, his skin. So you touch Jesse here, he feels his thumb; you touch it here, he feels his pinky. He feels light touch down to one gram of force. He feels hot, cold, sharp, dull, all in his missing hand, or both his hand and his chest, but he can attend to either. So this is really exciting for us, because now we have a portal, a portal, or a way to potentially give back sensation, so that he might feel what he touches with his prosthetic hand. Imagine sensors in the hand coming up and pressing on this new hand skin. So it was very exciting.
Wir haben weiter gemacht, mit dem was zu Beginn unsere Primärbestand war: Menschen mit "über Ellenbogen Amputationen". Hier deinnervierten wir, oder schnitten den Nerv frei, von kleinen Teilen des Muskels und ließen andere unberührt das gab uns unser hoch-runter–Signal. Zwei Andere, die uns unser Hand auf-zu–Signal gaben. Das war einer unserer ersten Patienten, Chris. Sie sehen ihn mit dem Originalgerät auf der linken Seite nach 8 Monaten Gebrauch. Auf der rechten Seite zwei Monate. Er ist ungefähr viermal so schnell mit dieser simplen kleinen Leistungsmetrik.
We've also gone on with what was initially our primary population of people with above-the-elbow amputations. And here we deinnervate, or cut the nerve away, just from little segments of muscle and leave others alone that give us our up-down signals and two others that will give us a hand open and close signal. This was one of our first patients, Chris. You see him with his original device on the left there after eight months of use, and on the right, it is two months. He's about four or five times as fast with this simple little performance metric.
Nun gut. Eine der besten Sachen in meinen Job ist es, mit richtig guten Patienten zu arbeiten, die auch unsere Forschungsmitarbeiter sind. Wir haben heute das Glück dass Amanda Kitts da ist. Heißen Sie Amanda Kitts willkommen.
All right. So one of the best parts of my job is working with really great patients who are also our research collaborators. And we're fortunate today to have Amanda Kitts come and join us. Please welcome Amanda Kitts.
(Applaus)
(Applause)
Amanda, würdest du uns bitte erzählen wie du deinen Arm verloren hast?
So Amanda, would you please tell us how you lost your arm?
Amanda Kitts: Sicher. 2006 hatte ich einen Autounfall. Ich war auf dem Weg nach Hause von der Arbeit, ein LKW kam aus der Gegenrichtung, er kam auf meine Spur, fuhr über das Verdeck meines Autos und seine Achse riss meinen Arm ab.
Amanda Kitts: Sure. In 2006, I had a car accident. And I was driving home from work, and a truck was coming the opposite direction, came over into my lane, ran over the top of my car and his axle tore my arm off.
Todd Kuiken: Okay, nach der Amputation verheilte alles. Du bekamst einen der konventionellen Arme. Kannst du uns sagen wie das funktioniert?
Todd Kuiken: Okay, so after your amputation, you healed up. And you've got one of these conventional arms. Can you tell us how it worked?
AK: Nun, es war etwas schwer, denn ich konnte nur Bizeps und Trizeps benutzen. Für die einfachen Dinge wie etwas aufheben, würde ich meinen Ellenbogen biegen müssen, dann würde ich kontrahieren müssen, damit es den Modus ändert. Wenn ich das tat, musste ich den Bizeps benutzen, um die Hand zu schließen, und den Trizeps zum Öffnen verwenden, erneut kontrahieren um den Ellenbogen erneut zu verwenden.
AK: Well, it was a little difficult, because all I had to work with was a bicep and a tricep. So for the simple little things like picking something up, I would have to bend my elbow, and then I would have to cocontract to get it to change modes. When I did that, I had to use my bicep to get the hand to close, use my tricep to get it to open, cocontract again to get the elbow to work again.
TK: Es war also etwas langsam?
TK: So it was a little slow?
AK: Etwas langsam und es war einfach schwer zu benutzen. Man musste sich viel konzentrieren.
AK: A little slow, and it was just hard to work. You had to concentrate a whole lot.
TK: Okay, ich denke an neun Monate später, als du eine gezielte Reinnvervationsoperation hattest, weitere sechs Monate für die ganze Reinnervation. Dann gaben wir ihr eine Prothese. Wie kommst Du damit zurecht?
TK: Okay, so I think about nine months later that you had the targeted reinnervation surgery, took six more months to have all the reinnervation. Then we fit her with a prosthesis. And how did that work for you?
AK: Es funktioniert gut. Ich konnte meinen Ellenbogen und meine Hand gleichzeitig verwenden. Ich konnte Sie allein durch Gedanken verwenden. Ich musste keine Kontraktion und das alles machen.
AK: It works good. I was able to use my elbow and my hand simultaneously. I could work them just by my thoughts. So I didn't have to do any of the cocontracting and all that.
TK: Etwas schneller?
TK: A little faster?
AK: Etwas schneller. Und viel einfacher, viel natürlicher.
AK: A little faster. And much more easy, much more natural.
TK: Okay, das war mein Ziel. 20 Jahre lang war mein Ziel, es jemanden zu ermöglichem, Ellenbogen und Hand auf intuitive Weise gleichzeitig zu bewegen. Wir haben jetzt über 50 Patienten weltweit, die diese Operation hatten, inklusive ein Duzend verletzte Soldaten bei den US Streitkräften. Die Erfolgsrate des Nerventransfers ist sehr hoch. Es sind 96 Prozent. Denn wir setzen einen großen fetten Nerv auf einen kleinen Muskel. Es bietet intuitive Kontrolle. Unsere funktionellen Tests, diese kleinen Tests, alle zeigen, das sie viel schneller und viel einfacher sind. Und das Wichtigste daran ist, dass unsere Patienten es zu schätzen wissen.
TK: Okay, this was my goal. For 20 years, my goal was to let somebody [be] able to use their elbow and hand in an intuitive way and at the same time. And we now have over 50 patients around the world who have had this surgery, including over a dozen of our wounded warriors in the U.S. armed services. The success rate of the nerve transfers is very high. It's like 96 percent. Because we're putting a big fat nerve onto a little piece of muscle. And it provides intuitive control. Our functional testing, those little tests, all show that they're a lot quicker and a lot easier. And the most important thing is our patients have appreciated it.
Das war alles sehr spannend. Aber wir wollen besser sein. Es gibt eine Menge Informationen in diesen Nervensignalen, und wir wollten mehr davon. Sie können jeden Finger bewegen. Sie können ihren Daumen, Ihr Gelenk bewegen. Können wir mehr daraus machen? Also machten wir ein paar Experimente, bei denen wir unsere armen Patienten mit zig Elektroden überhäuften und dann ließ man sie zwei Dutzend verschiedene Aufgaben machen - vom Fingerwackeln bis zum Bewegen eines ganzen Arms. Nach etwas greifen. Wir zeichneten diese Daten auf. Dann verwendeten wir einige Algorithmen die Spracherkennungsalgorithmen recht ähnlich sind, sogenannte "Mustererkennung". Sehen Sie.
So that was all very exciting. But we want to do better. There's a lot of information in those nerve signals, and we wanted to get more. You can move each finger. You can move your thumb, your wrist. Can we get more out of it? So we did some experiments where we saturated our poor patients with zillions of electrodes and then had them try to do two dozen different tasks -- from wiggling a finger to moving a whole arm to reaching for something -- and recorded this data. And then we used some algorithms that are a lot like speech recognition algorithms, called pattern recognition. See.
(Gelächter)
(Laughter)
Here sehen sie auf Jesses Brust, wenn er versucht drei verschiedene Dinge zu tun, Sie sehen drei verschiedene Muster. Aber ich kann keine Elektrode hineinstecken und sagen, "Da hin." Wir arbeiten mit unsere Kollegen von der Universität von New Brunswick zusammen, es entstand diese Algorithmenkontrolle, welche Amanda jetzt demonstrieren wird.
And here you can see, on Jesse's chest, when he just tried to do three different things, you can see three different patterns. But I can't put in an electrode and say, "Go there." So we collaborated with our colleagues in University of New Brunswick, came up with this algorithm control, which Amanda can now demonstrate.
AK: Nun ich habe den Ellenbogen der hoch und runter geht. Ich habe Gelenkrotation die funktioniert - und es kann komplett rundherum gehen. Ich habe die Gelenkbeugung und Streckung. Ich habe die Hand geschlossen und geöffnet.
AK: So I have the elbow that goes up and down. I have the wrist rotation that goes -- and it can go all the way around. And I have the wrist flexion and extension. And I also have the hand closed and open.
TK: Danke, Amanda. Das ist zwar ein Forschungsarm, aber er ist von hier ab aus kommerziellen Komponenten gemacht und ein paar, die ich von da und dort geliehen habe. Er wiegt ca 3 Kilogramm, was wahrscheinlich ungefähr das Gewicht meines Armes ist, wenn ich ihn ab hier verlieren würde. Offensichtlich ist das schwer für Amanda. Tatsächlich fühlt es sich sogar schwerer an, denn er ist nicht angeklebt. Sie trägt das ganze Gewicht durch Schultergurte.
TK: Thank you, Amanda. Now this is a research arm, but it's made out of commercial components from here down and a few that I've borrowed from around the world. It's about seven pounds, which is probably about what my arm would weigh if I lost it right here. Obviously, that's heavy for Amanda. And in fact, it feels even heavier, because it's not glued on the same. She's carrying all the weight through harnesses.
Der spannende Teil ist nicht die Mechatronik, sondern die Bedienung. Wir haben einen kleinen Mikrocomputer entwickelt, der irgendwo hinter ihrem Rücken blinkt und dieser bedient das allein dadurch, wie sie es trainiert ihre eigene individuellen Muskelsignale zu verwenden. Also Amanda, als du begonnen hast zum ersten mal den Arm zu verwenden, wielange dauerte es ihn zu benutzen?
So the exciting part isn't so much the mechatronics, but the control. So we've developed a small microcomputer that is blinking somewhere behind her back and is operating this all by the way she trains it to use her individual muscle signals. So Amanda, when you first started using this arm, how long did it take to use it?
AK: Es dauerte vermutlich drei bis vier Stunden um ihn zu trainieren. Ich musste ihn mit einem Computer verbinden, ich konnte ihn nicht irgendwo trainieren. Wenn ich aufhörte damit zu arbeiten, musste ich ihn abnehmen. Jetzt kann er allein mit dem kleinen Teil an meinem Rücken trainiert werden. Ich kann ihn herumtragen. Wenn er aus irgendeinem Grund nicht mehr funktioniert, kann ich ihn erneut trainieren. Dauert circe eine Minute.
AK: It took just about probably three to four hours to get it to train. I had to hook it up to a computer, so I couldn't just train it anywhere. So if it stopped working, I just had to take it off. So now it's able to train with just this little piece on the back. I can wear it around. If it stops working for some reason, I can retrain it. Takes about a minute.
TK: Wir sind nun sehr gespannt, denn jetzt haben wir ein klinisch anwendbares Gerät. Und das ist unser Ziel - Etwas klinisch Anwendbares zum Tragen zu haben. Amanda konnte auch einige unserer fortgeschritteneren Arme benutzen, die ich Ihnen vorhin gezeigt habe. Hier benutzt Amanda einen Arm der DEKA-Forschungsgruppe. Ich glaube, Dean Kamen präsentierte ihn vor einigen Jahren bei TED. Amanda hat, wie Sie sehen können, wirklich gute Kontrolle. Das ist alles die Mustererkennung. Es hat nun eine Hand die verschiedene Griffe kann. Was wir tun ist, dass sich die Patienten vollständig öffnen und denken, "Welche Handgriffmuster möchte ich?" Es wechselt in diesen Modus, dann kann man bis zu fünf oder sechs verschiedene Griffe mit dieser Hand machen. Amanda, wieviele konntest du mit dem DEKA arm machen?
TK: So we're really excited, because now we're getting to a clinically practical device. And that's where our goal is -- to have something clinically pragmatic to wear. We've also had Amanda able to use some of our more advanced arms that I showed you earlier. Here's Amanda using an arm made by DEKA Research Corporation. And I believe Dean Kamen presented it at TED a few years ago. So Amanda, you can see, has really good control. It's all the pattern recognition. And it now has a hand that can do different grasps. What we do is have the patient go all the way open and think, "What hand grasp pattern do I want?" It goes into that mode, and then you can do up to five or six different hand grasps with this hand. Amanda, how many were you able to do with the DEKA arm?
AK: Ich konnte vier machen. Ich hatte den Faustgriff, ich hatte den Spitzgriff, Ich hatte einen starken Griff und ich hatte einen sanften Kniff. Aber mein Lieblingsgriff war wenn die Hand offen war, denn ich arbeite mit Kindern, und man klatscht und singt die ganze Zeit, und ich konnte das wieder tun, was wirklich gut war.
AK: I was able to get four. I had the key grip, I had a chuck grip, I had a power grasp and I had a fine pinch. But my favorite one was just when the hand was open, because I work with kids, and so all the time you're clapping and singing, so I was able to do that again, which was really good.
TK: Die Hand ist nicht so gut zum Klatschen.
TK: That hand's not so good for clapping.
AK: Ich kann mit dieser nicht klatschen.
AK: Can't clap with this one.
TK: Alles klar. Das ist also spannend, wohin es mit besserer Mechatronik geht, wenn wir sie gut genug machen sie auf den Markt werfen und in Feldversuchen testen. Ich möchte, dass Sie genau hinsehen.
TK: All right. So that's exciting on where we may go with the better mechatronics, if we make them good enough to put out on the market and use in a field trial. I want you to watch closely.
(Video) Claudia: Ooooooh!
(Video) Claudia: Oooooh!
TK: Das ist Claudia, und das war das erste Mal als sie ein Gefühl durch ihre Prothese bekam. Sie hatte einen kleinen Sensor am Ende der Prothese, welches sie über verschiedene Oberflächen zog, sie konnte verschiedene Texturen fühlen - Schleifpapier, verschiedene Körner, Bandkabel, als es ihre reinnverierte Handhaut drückte. Sie sagte, als sie es über den Tisch zog, fühlte es sich an, als wenn ihr Finger zitterte. Das ist ein spannendes Laborexperiment wie man theoretisch etwas Hautempfindung wiedererlangen kann.
TK: That's Claudia, and that was the first time she got to feel sensation through her prosthetic. She had a little sensor at the end of her prosthesis that then she rubbed over different surfaces, and she could feel different textures of sandpaper, different grits, ribbon cable, as it pushed on her reinnervated hand skin. She said that when she just ran it across the table, it felt like her finger was rocking. So that's an exciting laboratory experiment on how to give back, potentially, some skin sensation.
Aber hier ist ein anderes Video, das einige unserer Herausforderungen zeigt. Das ist Jesse und er drückt ein Schaumspielzeug. Umso stärker er drückt - Sie sehen ein kleines schwarzes Ding in der Mitte das auf seine Haut drückt, proportional dazu wie sehr er presst. Aber schauen Sie sich all die Elektroden drumherum an. Ich habe ein Platzproblem. Man muss ein paar von diesen Dingern hierhin packen, aber unsere kleinen Motoren verursachen jede Menge Störungen gleich neben meinen Elektroden. Es ist wirklich eine sehr schwierige Aufgabe.
But here's another video that shows some of our challenges. This is Jesse, and he's squeezing a foam toy. And the harder he squeezes -- you see a little black thing in the middle that's pushing on his skin proportional to how hard he squeezes. But look at all the electrodes around it. I've got a real estate problem. You're supposed to put a bunch of these things on there, but our little motor's making all kinds of noise right next to my electrodes. So we're really challenged on what we're doing there.
Die Zukunft ist gut. Es freut uns, wie weit wir schon gekommen sind und was wir noch vorhaben. Zum Beispiel wollen wir das Platzproblem lösen und bessere Signale bekommen. Wir wollen diese kleinen Kapseln entwickeln – ungefähr die Größe eines Reiskorns – die wir in die Muskeln bringen können, und die EMG Signale daraus fernmessen, damit man nicht über den Elektrodenkontakt nachdenken muss. Und wir haben den Platz frei um mehr Gefühlsrückmeldung zu bekommen. Wir wollen einen besseren Arm bauen. Diese Arme - die sind immer gemacht für den 50-Perzentil-Amerikaner - was bedeutet, dass sie fünf Achteln der Welt zu groß sind. Also statt eines superstarken oder superschnellen Arms, machen wir einen Arm der - wir beginnen mit der 25-Percentil-Amerikanerin - die eine Hand haben wird die umschließt, komplett öffnet, zwei Freiheitsgrade in Gelenk und Ellenbogen. Es wird der kleinste und leichteste und der schlauste Arm der je gebaut wurde. Sobald wir ihn so klein machen können, ist es viel leichter ihn größer zu machen.
The future is bright. We're excited about where we are and a lot of things we want to do. So for example, one is to get rid of my real estate problem and get better signals. We want to develop these little tiny capsules about the size of a piece of risotto that we can put into the muscles and telemeter out the EMG signals, so that it's not worrying about electrode contact. And we can have the real estate open to try more sensation feedback. We want to build a better arm. This arm -- they're always made for the 50th percentile male -- which means they're too big for five-eighths of the world. So rather than a super strong or super fast arm, we're making an arm that is -- we're starting with, the 25th percentile female -- that will have a hand that wraps around, opens all the way, two degrees of freedom in the wrist and an elbow. So it'll be the smallest and lightest and the smartest arm ever made. Once we can do it that small, it's a lot easier making them bigger.
Das sind nur ein paar unserer Ziele. Und wir schätzen es wirklich, dass Sie heute alle hier sind. Ich möchte Ihnen etwas über die dunkle Seite erzählen, mit einer Geschichte von gestern. Amanda kam mit Jetlag, sie verwendete den Arm und alles ging schief. Es gab einen Computerfehler, ein gebrochenes Kabel, ein Wandler der funkte. Wir haben im Hotel einen ganzen Schaltkreis herausgenommen, und beinah den Feueralarm ausgelöst. Mit keinem dieser Probleme hätte ich fertig werden können, aber ich habe ein wirklich gutes Forschungsteam. Glücklicherweise war Dr.Annie Simon bei uns und arbeite gestern sehr hart für die Reparatur. Das ist Wissenschaft. Glücklicherweise funktionierte es heute.
So those are just some of our goals. And we really appreciate you all being here today. I'd like to tell you a little bit about the dark side, with yesterday's theme. So Amanda came jet-lagged, she's using the arm, and everything goes wrong. There was a computer spook, a broken wire, a converter that sparked. We took out a whole circuit in the hotel and just about put on the fire alarm. And none of those problems could I have dealt with, but I have a really bright research team. And thankfully Dr. Annie Simon was with us and worked really hard yesterday to fix it. That's science. And fortunately, it worked today.
Also vielen Dank!
So thank you very much.
(Applaus)
(Applause)