La cheville bionique « émule la nature »

Ces jours-ci, Hugh Herr, professeur agrégé d'arts et de sciences médiatiques au MIT, reçoit quotidiennement environ 100 e-mails de personnes du monde entier intéressées par ses membres bioniques.

Les messages affluent des amputés à la recherche de prothèses et des médias à la recherche d'interviews. Ensuite, il y a des étudiants qui cherchent à rejoindre le groupe de recherche de Herr. La technologie incite les jeunes à se lancer sur le terrain, ce qui est merveilleux, dit Herr.

C'est une marque du travail révolutionnaire que Herr a effectué au MIT Media Lab au cours des deux dernières décennies. Amputé lui-même, Herr a conçu (et porté) des prothèses de jambe bioniques qui, dit-il, imitent la nature – imitant les fonctions et la puissance des genoux, des chevilles et des mollets biologiques.

Le mois dernier, la conférence TED de Herr a fait la une des journaux, alors qu'Adrianne Haslet-Davis, une danseuse professionnelle dont la jambe a été partiellement amputée après les attentats du marathon de Boston en 2013, a utilisé une de ses prothèses pour faire de la rumba sur scène.

Photo : Bryce Vicmark

La plupart de ces prothèses ont atteint le monde grâce à la startup de Herr, BiOM (appelée à l'origine iWalk). Depuis 2010, la société a apporté le premier système bionique pied-mollet au monde à plus de 900 patients dans le monde, dont quelque 400 anciens combattants.

Il est toujours bon de concevoir quelque chose que les gens utiliseront. C'est formidable de faire de la science, oui, mais c'est aussi formidable de voir l'humanité utiliser quelque chose que l'on a inventé, dit Herr, ajoutant : Traduire la technologie hors du laboratoire permet aux ingénieurs de rester honnêtes.

Initialement développée par le groupe de recherche de Herr, la prothèse de BiOM, surnommée le système BiOM T2, simule une cheville biologique (et un muscle du mollet connecté), offrant une fonction naturelle de la cheville pendant les foulées.

À l'aide d'une propulsion bionique alimentée par batterie, deux microprocesseurs et six capteurs environnementaux ajustent la rigidité, la puissance, la position et l'amortissement de la cheville des milliers de fois par seconde, à deux positions principales : d'abord, à la frappe du talon, le système contrôle la rigidité de la cheville pour absorber les chocs et pousser le tibia vers l'avant. Ensuite, les algorithmes génèrent une puissance fluctuante, en fonction du terrain, pour propulser un porteur vers le haut et vers l'avant.

Lors de l'ajustement de la prothèse aux patients, les prothésistes peuvent programmer la rigidité et la puissance appropriées à toutes les étapes d'une démarche, à l'aide d'un logiciel créé par le groupe Herr - un processus que la société appelle Personal Bionic Tuning.

Entre autres choses, le système restaure la démarche naturelle, l'équilibre et la vitesse ; réduit le stress articulaire; et réduit considérablement le temps nécessaire pour s'acclimater à la prothèse (qui peut prendre des semaines ou des mois avec les modèles conventionnels). Souvent, en quelques minutes, un patient se promène, voire court, explique Herr, directeur de la technologie de BiOM.

Le système, dit Herr, pourrait également aider à prévenir l'arthrose, une affection articulaire causée par l'âge et la fatigue des jambes, en fournissant une puissance et un soutien au mollet et à la cheville, même à un âge avancé.

Passer du banc au chevet

Tout au long des années 1990 et au début des années 2000, Herr, qui a perdu ses deux jambes après un accident d'escalade en 1982, a commencé à rechercher les déficiences des prothèses conventionnelles et à modéliser mathématiquement le fonctionnement de l'articulation de la cheville pendant la marche.

Entre autres choses, la cheville se raidit et fournit une propulsion (dans la jambe arrière) pendant la foulée, atténuant l'impact sur la jambe avant et réduisant la tension sur les articulations de la jambe et le dos. Lorsque les amputés portent des prothèses conventionnelles - qui reposent sur des ressorts ou des systèmes hydrauliques et ne libèrent pas plus d'énergie qu'ils n'en absorbent - ils marchent plus lentement, consomment plus d'énergie métabolique et subissent un stress musculo-squelettique plus important, ce qui provoque une arthrose articulaire.

La recherche scientifique et technique qui a finalement conduit à la prothèse BiOM d'aujourd'hui a été menée par le groupe de recherche de Herr au sein du MIT Media Lab. Depuis 2003, le groupe a conçu et fabriqué de nombreux prototypes prothétiques pour tester des hypothèses sur l'interaction homme-machine. Plusieurs d'entre eux - des prototypes avec des pièces mécaniques exposées et des fils en boucle - sont exposés en permanence au MIT Media Lab.

Encore aujourd'hui, Herr se souvient d'être entré pour la première fois dans le premier prototype de jambe bionique du groupe, puis de revenir à une prothèse traditionnelle.

C'était aussi profond que lorsque vous traversiez l'aéroport et que vous heurtiez le tapis roulant. Lorsque vous descendez et revenez à une marche normale, vous vous dites : « La marche est vraiment pénible et lente », dit-il. C'est ce que c'était que de passer de notre système motorisé à des systèmes conventionnels passifs. Je savais donc qu'il y avait de la magie là-bas cliniquement.

L'expérience de Herr dans la commercialisation d'une articulation du genou contrôlée par ordinateur - conçue par son groupe pour la société islandaise Ossur - l'a inspiré à lancer iWalk en 2006. Le genou, maintenant utilisé par des milliers de patients dans le monde, utilise des particules de fer en suspension dans de l'huile entre des plaques d'acier et manipulées par un champ électromagnétique pour se raidir ou se détendre pendant la marche du porteur.

Avec Ossur, il y avait un transfert de technologie lourd et fastidieux - mais le lancement d'une startup du MIT a assuré, entre autres, qu'un noyau d'inventeurs resterait pour innover et commercialiser le produit.

Je pense toujours à minimiser le temps et l'investissement pour passer du banc au chevet, dit Herr. La création d'une entreprise est une façon d'améliorer cette efficacité. Et c'est idéal pour la passion : les inventeurs se soucient beaucoup de leurs inventions, et cette passion et cet engagement alimentent le progrès commercial.

Le système BiOM d'aujourd'hui a subi plus de 20 itérations, financées par environ 50 millions de dollars de capital-risque et de subventions - et l'entreprise continue de concevoir et d'innover. Non seulement le système de cheville BiOM s'améliore de mois en mois, d'année en année, mais la société prévoit également de lancer des produits bioniques supplémentaires dans l'espace pour fournir une assistance à un plus grand nombre de personnes, a déclaré Herr.

Arthrose, conception humanoïde et bionique personnelle

L'objectif plus large de BiOM est de prévenir des affections coûteuses telles que l'arthrose. À mesure que nous vieillissons, la perte de fibres musculaires rapides et une force excessive entraînent une perte de puissance des muscles de la cheville et du mollet, entraînant des troubles articulaires douloureux, tels que l'arthrose du genou et les douleurs lombaires, causés en partie par des démarches maladroites et boiteuses. Dans la population âgée, l'arthrose articulaire est l'une des principales causes de troubles de la mobilité.

Au moins parmi les amputés, dit Herr, BiOM pourrait aider en équipant les populations âgées de prothèses de jambe égales en agilité biomécanique et en contrôle aux jambes d'un jeune adulte : nous nous trouvons dans une position où nous pouvons mettre les muscles du mollet de 18 ans sur des patients indépendants de leur âge, atténuant le problème de l'arthrose articulaire dans toutes les populations, dit Herr.

En faisant progresser les prothèses, dit Herr, la technologie pourrait également conduire à l'innovation dans un domaine étroitement lié : la robotique humanoïde. Imaginez un avenir où nous aurons des pieds, des chevilles, des genoux et des hanches bioniques technologiquement optimaux. On pourrait simplement assembler ces pièces pour produire une plate-forme matérielle humanoïde, dit Herr.

Mais en fin de compte, le travail de BiOM et du groupe de Herr au MIT, dit-il, vise à aider à révolutionner l'idée de la bionique personnelle, brouillant les frontières entre l'électromécanique et le corps humain. Par exemple, son groupe MIT travaille, entre autres, sur des membres bioniques qui peuvent être contrôlés par l'esprit et attachés au corps.

Alors que nous entrons dans ce siècle, la technologie va devenir plus intime avec notre corps, dit Herr. L'approche de la conception bionique est fondée sur la science biologique qui cherche à comprendre fondamentalement comment notre corps et notre cerveau fonctionnent, et traduit cette connaissance en technologie qui reflète ces principes, menant à un monde où la technologie, parce qu'elle est si naturellement humaine, disparaît essentiellement.

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