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El cuerpo eléctrico
Zapatos incómodos. Muletas incómodas. Miembros artificiales dolorosos. Cuando la tecnología se encuentra con la biología, la interfaz rara vez es impecable, y los dispositivos a menudo obstaculizan los cuerpos a los que se supone que deben ayudar. Hugh Herr, SM '93, cree que los tecnólogos pueden hacerlo mejor. Herr, profesor asociado de artes y ciencias de los medios y líder del Grupo de Biomecatrónica en el Laboratorio de Medios del MIT, está construyendo dispositivos sofisticados que ayudan al movimiento humano imitando la naturaleza.
En marzo, Herr dio una noticia que acaparó los titulares Charla TED sobre el trabajo en su laboratorio para crear una prótesis especial que permitió a Adrianne Haslet-Davis, una bailarina cuya pierna fue amputada parcialmente después de los atentados con bombas en el maratón de Boston de 2013, ejecutar una rumba para la audiencia. Pero más que destacar un solo proyecto, la charla de Herr invitó al público a su visión más amplia: un mundo en el que la tecnología borra la discapacidad y en el que los mundos sintético y biológico se fusionan a la perfección.
Es inusual encontrar un investigador cuyo trabajo e historia personal estén tan entrelazados, y no solo porque Herr, él mismo con doble amputación, ahora camina sobre piernas biónicas diseñadas en su laboratorio. Como escalador y usuario de prótesis, Herr tiene experiencia directa con diseños de prótesis frustrantemente pobres y la determinación de un atleta para superarlos. Su laboratorio está trabajando para comprender los trucos que usa el cuerpo humano para moverse de manera eficiente y luego traducir ese conocimiento en dispositivos robóticos que no solo pueden restaurar la función a quienes la han perdido, sino que también mejoran las capacidades humanas normales.
Imagínese dentro de 50 años, con tecnologías biónicas verdaderamente avanzadas, [si] quiere un tercer brazo, puede tener un tercer brazo, dice. Eso es genial .
Una pasión redirigida
Herr, de 50 años, se describe a sí mismo como una persona enfocada y habla con una solemnidad que facilita que la gente pase por alto su humor seco. Cuando era joven, ese intenso enfoque estaba dirigido a una sola cosa: escalar. Mi único objetivo era ser el mejor escalador del mundo, dice. Sus intereses académicos eran, admite fácilmente, inexistentes. En 1982, cuando tenía 17 años, Herr y un amigo quedaron atrapados en una ventisca mientras escalaban el monte Washington en New Hampshire. Estuvieron varados durante tres noches antes de ser rescatados; un hombre que estaba tratando de rescatarlos murió. Las piernas congeladas de Herr fueron amputadas por debajo de las rodillas.
Es alarmante para todas las personas que reciben por primera vez una extremidad artificial cuán arcaica y de baja tecnología es la tecnología, ciertamente en aquel entonces, dice. Sus primeras prótesis fueron temporales con encajes de yeso, y se le indicó que no caminara sin muletas u otro apoyo: el yeso se rompería con todo su peso. Más tarde le colocaron prótesis permanentes de madera, goma y plástico, pero estaban rígidas y le dolían.
Sin embargo, Herr descubrió que aún podía sobresalir en el mundo vertical de la escalada en roca. En la escuela secundaria, se había capacitado en mecanizado de herramientas y troqueles en una escuela vocacional; poco después de regresar a casa del hospital, instaló un taller en el garaje y puso esas habilidades a trabajar diseñando y construyendo sus propias prótesis para escalada en roca y hielo. La escalada es un deporte en el que el cuerpo humano típico puede sentirse incómodo, como puede atestiguar cualquiera que haya intentado mantener el equilibrio en un pequeño punto de apoyo o meter un pie en una grieta. Así que los diseños de Herr no parecían pies en absoluto. Rápidamente abandoné la noción de que la prótesis debe parecerse a una extremidad humana y comencé a pensar: ¿qué es óptimo, qué es mejor para la función? él dice. Creó pies diminutos que podían equilibrarse en una repisa delgada como un susurro y cuchillas con forma de hacha que podían encajar en una grieta.
Muy pronto, Herr comenzó a escalar rutas más duras de las que había dominado antes de su accidente. Eso fue profundamente inspirador, dice. Nunca había apreciado la capacidad de la tecnología para cambiar la vida de un individuo de manera tan precipitada. La carrera profesional obvia que podría haber tomado, trabajando en el negocio de construcción de viviendas de su padre, ya no era una opción para él, y ahora tenía un interés personal en mejorar las extremidades artificiales. Entonces, aunque Herr nunca tuvo la intención de ir a la universidad, unos años después de su accidente decidió intentarlo y obtuvo una licenciatura en física en la Universidad de Millersville en Pensilvania a los 25 años. Reemplazó mi pasión por escalar, dice. En dos años pasé de no poder tomar el 10 por ciento de cien a estudiar mecánica cuántica a nivel de posgrado. Mientras estuvo en Millersville, también obtuvo su primera patente, para un encaje protésico diseñado con cámaras de líquido para una mayor comodidad.
Después de graduarse, Herr vino al MIT, donde completó una maestría en ingeniería mecánica en 1993. Su proyecto de tesis involucró la idea inusual de desarrollar un traje elástico para facilitar la escalada vertical: el movimiento de alcanzar un asidero estira el elástico. , y su energía almacenada se usa para ayudar al movimiento más agotador de tirar del cuerpo hacia arriba. Su laboratorio todavía está trabajando en la idea hoy. Para su doctorado en biofísica en Harvard, desarrolló un modelo numérico para describir cómo corre un caballo y estableció principios para imitarlo robóticamente. También trabajó en el Laboratorio de piernas del MIT, que hizo avances en la construcción de robots con patas que podían caminar y correr. El laboratorio estaba entonces dirigido por Gill Pratt ’83, SM ’87, PhD ’90 (su fundador, Marc Raibert, ya se había ido a trabajar a tiempo completo en la empresa que fundó, Boston Dynamics). Cuando Herr se graduó, Pratt lo contrató como posdoctorado.
Herr trabajó con Pratt para desarrollar una articulación de rodilla controlada por computadora que utiliza un fluido magnetorreológico, un fluido cuya viscosidad cambia cuando se aplica un campo magnético, para variar la rigidez de la articulación cuando una persona camina.
Pratt quedó tan impresionado con el trabajo de Herr en la rodilla, que finalmente se comercializó como Rheo Knee, que lo nombró codirector del laboratorio, aunque Herr era solo un posdoctorado. Hugh tenía un tremendo conocimiento práctico sobre prótesis, tenía una intuición tremendamente buena sobre el control y también era muy fuerte en términos de física, dice Pratt, ahora gerente de programa en DARPA. Cuando Pratt dejó el MIT en 2000, Herr se hizo cargo del laboratorio, que eventualmente se convirtió en el Grupo de Biomecatrónica dentro del Laboratorio de Medios.
La ciencia de caminar
Los visitantes del Grupo de Biomecatrónica, que ocupa la mitad de una gran sala abierta en el segundo piso del Media Lab, pueden venir a ver el futuro de la biónica, pero a menudo comentan sobre el desorden. El laboratorio, que normalmente está repleto de estudiantes y posdoctorados que trabajan en proyectos, está repleto de piezas de computadora, tazas de café, cables, rollos de cinta, herramientas aleatorias y moldes de plástico de pies humanos. En el centro del espacio hay una plataforma elevada con una caminadora y un conjunto de barras paralelas a la altura de la cadera. Diez cámaras enfocadas en la plataforma capturan los movimientos de los sujetos mientras corren y caminan en la caminadora. Eso es porque una parte importante del trabajo del laboratorio es describir cómo se mueve el cuerpo humano. Caminar, aunque es un acto aparentemente simple, sigue siendo en gran medida un misterio, ya que usa energía de una manera muy económica que es difícil de recrear en la robótica. No entendemos completamente cómo se controlan los músculos, lo que sorprende a mucha gente, dice Herr. Aunque los investigadores han podido simular el caminar humano lo suficientemente bien como para crear robots que caminan como los que se usan en el desafío de robótica de DARPA, estos robots requieren enormes cantidades de energía para hacer lo que los humanos logran con una eficiencia y gracia increíbles. Tomará algunos años más, dice Herr, comprender cómo caminar lo suficientemente bien como para programar robots y desarrollar dispositivos protésicos que repliquen de manera eficiente la función humana.
Estos dispositivos para caminar y correr diseñados en el laboratorio de Herr son los precursores de un sistema desarrollado por su empresa derivada BiOM.
Esta ciencia, dice, es fundamental para diseñar los sistemas de control de hardware y software de los dispositivos biónicos. Daniel Ferris, director del Laboratorio de Neuromecánica Humana de la Universidad de Michigan, dice que la fortaleza de Herr es conocer los mecanismos biológicos, la fisiología y el funcionamiento de una manera que la mayoría de los ingenieros no conocen. Si bien muchos ingenieros han construido dispositivos robóticos para el movimiento, ninguno ha igualado realmente la capacidad de Hugh para fusionar la biología con la ingeniería.
El trabajo de su laboratorio para modelar la articulación del tobillo humano finalmente condujo al desarrollo de la prótesis que Herr usa hoy, vendida como BiOM T2 por su nueva empresa BiOM (anteriormente llamada iWalk). Es la primera prótesis de pie y tobillo que se comporta, como él dice, más como una motocicleta que como una bicicleta, lo que significa que pone energía en el sistema en lugar de depender únicamente de la fuerza humana.
En la marcha humana, el músculo de la pantorrilla y la articulación del tobillo aportan la mayor potencia. El BiOM T2 usa una batería para alimentar un sistema de microprocesadores, sensores, resortes y actuadores; la articulación proporciona rigidez durante un golpe de talón para absorber el impacto, luego potencia para ayudar a impulsar la parte inferior de la pierna hacia arriba y hacia adelante durante un paso. Cuando te falta ese poder, es sustancial, dice. Cuando lo recuperas, te cambia la vida.
Para ayudar a Adrianne Haslet-Davis a actuar, Herr y su equipo estudiaron y modelaron el baile humano y reprogramaron la prótesis con algoritmos que le permitirían ejecutar las rotaciones necesarias. También lo diseñaron para minimizar la batería en la pantorrilla, para evitar que interfiera con los pasos de baile.
El objetivo de tales dispositivos es hacer que las prótesis sean más naturales y, al reducir los costos de energía de caminar, reducir el estrés y la fatiga de las articulaciones. Pero llevar dispositivos biónicos a la clínica no es fácil. Bob Emerson, protésico de A Step Ahead Prosthetics que ayuda a conectar a los pacientes con proyectos de investigación en el grupo de Herr, dice que es un desafío persuadir a las aseguradoras para que paguen por dispositivos como BiOM. Es una plataforma tecnológica de gran alcance; la gente no lo entiende muy bien, dice. Dice que se necesita visión y persistencia para impulsar importantes innovaciones tecnológicas en un mercado tan pequeño y especializado.
Todavía hay inconvenientes en los diseños biónicos actuales (por ejemplo, las prótesis de tobillo como la de Herr pasan por una o dos cargas de batería al día), por lo que Herr y sus colegas están trabajando para hacer que los dispositivos protésicos sean más pequeños, livianos, silenciosos y eficientes. También están involucrados en los esfuerzos para diseñar encajes más cómodos para unir prótesis al cuerpo. Los humanos somos suaves y maleables, dice Herr, y no somos estáticos; cambiamos con el tiempo, nos hinchamos, nos encogemos. Entonces, cómo vincular el mundo de las máquinas a eso es un problema realmente difícil.
Herr ya ha abordado el problema de dar a los humanos un control mejor y más fluido sobre las extremidades artificiales; sus prótesis de tobillo BiOM ajustan su torque y potencia en respuesta a la contracción muscular. Ahora va un paso más allá, colaborando con cirujanos y otros investigadores en formas de permitir que las extremidades biónicas sean controladas directamente por el sistema nervioso, lo que espera demostrar en un ser humano en los próximos años. Mientras que las interfaces cerebro-máquina requerirían una cirugía invasiva para los implantes cerebrales, quiere conectar dispositivos electrónicos a los nervios periféricos en el lugar de la lesión, lo que permitiría a las personas controlar las extremidades biónicas con sus nervios existentes e incluso percibir sensaciones en la extremidad. La amputación, que actualmente es una cirugía bastante rudimentaria, podría convertirse en un procedimiento sofisticado para configurar el cuerpo para que interactúe con una extremidad biónica.
Ampliación de la capacidad humana
A lo largo de una pared del laboratorio del Grupo de Biomecatrónica, los estantes con ruedas conocidos como el carrito de los postres contienen una variedad de prototipos de proyectos actuales y pasados: articulaciones de tobillos, encajes de piernas impresos en 3D, pies de madera y botas de esquí que interactúan con motores y metal. partes. Si bien la colección de dispositivos protésicos que su laboratorio ya ha producido es impresionante, Herr no se contenta simplemente con restaurar la capacidad perdida. Su laboratorio también está trabajando en tecnologías que podrían mejorar la función humana normal, permitiéndonos caminar o correr más rápido, cargar más peso o escalar más fácilmente. El carrito de postres tiene diseños iniciales para exoesqueletos portátiles que permitirían a las personas ir al trabajo a pie tan rápido como lo harían en bicicleta, o transportar cargas pesadas sin cansarse.
Herr escala en Shawangunk, Nueva York, en 1990 usando prótesis de pie que había diseñado para su propio uso en paredes rocosas.
Construir un exoesqueleto que facilite el movimiento es un desafío: el dispositivo debe brindar un beneficio al usuario que supere la carga de usarlo. Luke Mooney, estudiante de posgrado en el Grupo de Biomecatrónica, dice que muchas personas piensan en un exoesqueleto e imaginan un traje estilo Iron Man. Pero recientemente trabajó con Herr en un enfoque mucho más minimalista, centrándose únicamente en proporcionar potencia mecánica al tobillo para reducir la energía que necesita para caminar. Su prototipo, una bota de senderismo unida a un aparato ortopédico en la parte inferior de la pierna y alimentada por un paquete de baterías portátil, es el primer exoesqueleto que en realidad puede reducir los costos metabólicos de caminar, como se demostró en un estudio publicado este mayo en el Revista de Neuroingeniería y Rehabilitación . Cuando lo desenchufas, de repente sientes que tus pies son bloques de concreto, dice Mooney.
Incluso con estos éxitos, los tecnólogos aún están muy lejos de replicar las habilidades naturales del cuerpo o construir dispositivos portátiles que puedan aumentar drásticamente sus habilidades. Admiro la creatividad y el enfoque único de Hugh y su impulso, dice Woodie Flowers, SM '68, ME '70, PhD '72, profesor emérito de ingeniería mecánica que ayudó a supervisar el trabajo de investigación de posgrado de Herr. Pero Herr está trabajando en un área de investigación muy compleja que involucra una relación muy íntima entre un humano complejo y una máquina compleja, señala. Respeto lo difícil que es eso.
Redefiniendo el Buen Cuerpo
A pesar de los desafíos prácticos, Herr tiene una visión de largo alcance para fusionar la tecnología con la biología. Mientras que algunos investigadores e ingenieros pasan por alto las implicaciones sociales de su trabajo, él se ha convertido en un defensor abierto de las formas en que la tecnología puede mejorar el cuerpo.
Mucha gente que ha resultado lesionada lo busca en busca de motivación, dice Pratt. Parte de esa inspiración proviene de la actitud de Herr hacia las prótesis. Una vez que se dio cuenta de que podía escalar con piernas ortopédicas, comenzó a celebrarlas en lugar de esconderlas, pintándolas de colores brillantes. Hoy, a veces usa pantalones cortados a la altura de las rodillas, dejando visibles sus prótesis.
Herr nunca se ha preocupado por aparentar tener piernas normales; además de trepar pies, se construye a sí mismo miembros artificiales que le permiten ser bajo o muy alto. Mucha gente quiere camuflar sus prótesis, dice, porque asocian verse normal con ser atractivo. No hice la conexión, dice con una sonrisa. Su sentido del atractivo se formó al escalar; como atleta, siempre sintió que la sensualidad estaba determinada por la habilidad más que por la apariencia. No me importa cómo te ves, dice. Si no eres débil, si eres todo lo contrario, eres muy sexy.
De hecho, a medida que los miembros artificiales se vuelven más poderosos y funcionales, a veces pueden percibirse como lo opuesto a una discapacidad. En 1986, Herr se convirtió en la segunda persona en hacer una escalada libre de una grieta de 120 pies en el estado de Washington llamada City Park, en ese momento considerada la escalada más difícil del país. Cuando otro escalador lo ascendió en 2006, el logro de Herr fue descartado por una importante revista de escalada porque se consideró que sus piernas ortopédicas le daban una ventaja. Él ve paralelismos con la forma en que el mundo respondió al corredor olímpico Oscar Pistorius, un doble amputado que fue acusado de hacer trampa cuando usó sus piernas ortopédicas para competir con atletas sin discapacidad.
Nuestra cultura está entrenada para pensar en una persona con un cuerpo o una mente inusual como débil, dice Herr. Cuando no hay debilidad, cuando hay un atleta que en realidad está ganando contra el cuerpo normal, se produce una confusión.
Él cree que las ideas sobre las prótesis cambiarán. Todos estamos tan centrados en las células y los tejidos, dice. De alguna manera pensamos que nuestras células son sagradas y que tan pronto como una parte de nuestro cuerpo está hecha de átomos de titanio o algo así, es menos humano, que no se puede incrustar la humanidad en los sintéticos. Pero predice que este sesgo persistirá solo mientras los objetos que adjuntemos al cuerpo sean toscos, incómodos y de mal rendimiento. Un miembro artificial que no intenta parecerse a un miembro humano puede parecer feo, dice, pero cuando tomas la misma estética y lo haces altamente funcional y poderoso, entonces [se] vuelve intrigante y hermoso.
Con el tiempo, cree, a la gente le importará menos de qué estamos hechos. Solo importa lo que somos y lo que hacemos: la calidad de nuestras vidas, dice.