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Le corps électrique
Chaussures inconfortables. Béquilles maladroites. Membres artificiels douloureux. Lorsque la technologie rencontre la biologie, l'interface est rarement parfaite et les appareils gênent souvent les corps qu'ils sont censés aider. Hugh Herr, SM '93, pense que les technologues peuvent faire mieux. Professeur agrégé d'arts et de sciences médiatiques et chef du groupe de biomécatronique du Media Lab du MIT, Herr construit des appareils sophistiqués qui facilitent le mouvement humain en imitant la nature.
En mars, Herr a fait la une des journaux conférence TED sur le travail dans son laboratoire pour créer une prothèse spéciale qui a permis à Adrianne Haslet-Davis, une danseuse dont la jambe a été partiellement amputée après les attentats du marathon de Boston en 2013, d'exécuter une rumba pour le public. Mais plus que de mettre en évidence un seul projet, le discours de Herr a invité le public dans sa vision plus large : un monde dans lequel la technologie efface le handicap et dans lequel les mondes synthétique et biologique se fondent de manière transparente.
Il est inhabituel de trouver un chercheur dont le travail et l'histoire personnelle sont si étroitement liés, et pas seulement parce que Herr, lui-même double amputé, marche maintenant sur des jambes bioniques conçues par son laboratoire. En tant qu'alpiniste et utilisateur de prothèses, Herr a une expérience directe des conceptions prothétiques frustrantes et la détermination d'un athlète à les surmonter. Son laboratoire s'efforce de comprendre les astuces que le corps humain utilise pour se déplacer efficacement, puis de traduire ces connaissances en dispositifs robotiques qui peuvent non seulement restaurer la fonction de ceux qui l'ont perdue, mais améliorer les capacités humaines normales.
Imaginez dans 50 ans, avec des technologies bioniques vraiment avancées, [si] vous voulez un troisième bras, vous pouvez avoir un troisième bras, dit-il. C'est super .
Une passion redirigée
Herr, 50 ans, se décrit comme une personne concentrée, et il parle avec une solennité qui fait qu'il est facile pour les gens de manquer son humour sec. Quand il était jeune, cette concentration intense était dirigée vers une chose : l'escalade. Mon seul objectif était d'être le meilleur grimpeur du monde, dit-il. Ses intérêts académiques étaient, admet-il volontiers, inexistants. En 1982, alors qu'il avait 17 ans, Herr et un ami ont été pris dans une tempête de neige alors qu'ils escaladaient le mont Washington dans le New Hampshire. Ils ont été bloqués pendant trois nuits avant d'être secourus; un homme qui tentait de les sauver est mort. Les jambes gelées de Herr ont été amputées sous les genoux.
Il est alarmant pour chaque personne qui reçoit pour la première fois un membre artificiel de constater à quel point la technologie est rudimentaire et archaïque - certainement à l'époque, dit-il. Ses premières prothèses sont provisoires avec des emboîtures en plâtre, et il lui est interdit de marcher sans béquilles ou autre support : le plâtre éclatera sous son poids. Plus tard, il a reçu des prothèses permanentes en bois, en caoutchouc et en plastique, mais elles étaient raides et douloureuses.
Pourtant, Herr a découvert qu'il pouvait encore exceller dans le monde vertical de l'escalade. Au lycée, il avait suivi une formation en usinage d'outils et de matrices dans une école professionnelle; peu de temps après son retour de l'hôpital, il a créé un atelier dans le garage et a mis ces compétences à profit pour concevoir et construire ses propres membres prothétiques pour l'escalade sur rocher et sur glace. L'escalade est un sport dans lequel le corps humain typique peut se sentir mal à l'aise, comme en témoigne quiconque a essayé de s'équilibrer sur un petit pied ou de caler un pied dans une fissure. Ainsi, les créations de Herr ne ressemblaient pas du tout à des pieds. J'ai rapidement abandonné cette idée que la prothèse doit ressembler à un membre humain, et j'ai commencé à penser : qu'est-ce qui est optimal, qu'est-ce qui est le mieux pour la fonction ? il dit. Il a créé de minuscules pieds qui pouvaient s'équilibrer sur un rebord ultra-mince et des lames en forme de hache qui pouvaient s'insérer dans une fissure.
Bientôt, Herr a commencé à gravir des routes plus difficiles qu'il ne maîtrisait avant son accident. C'était profondément inspirant, dit-il. Je n'avais jamais apprécié la capacité de la technologie à changer aussi précipitamment la vie d'un individu. Le cheminement de carrière évident qu'il aurait pu suivre, en travaillant dans l'entreprise de construction de maisons de son père, n'était plus une option pour lui, et il avait maintenant tout intérêt à améliorer les membres artificiels. Ainsi, bien que Herr n'ait jamais eu l'intention d'aller à l'université, quelques années après son accident, il a décidé d'essayer, obtenant un baccalauréat en physique à l'Université de Millersville en Pennsylvanie à l'âge de 25 ans. Cela a remplacé ma passion pour l'escalade, dit-il. En deux ans, je suis passé de l'impossibilité de prendre 10 % sur 100 à des études supérieures de mécanique quantique. Pendant son séjour à Millersville, il a également obtenu son premier brevet, pour une emboîture prothétique conçue avec des vessies fluides pour un meilleur confort.
Après avoir obtenu son diplôme, Herr est venu au MIT, où il a obtenu une maîtrise en génie mécanique en 1993. Son projet de thèse impliquait l'idée inhabituelle de développer une combinaison élastique pour faciliter l'escalade verticale : le mouvement d'atteindre pour saisir une poignée étire l'élastique , et son énergie stockée est ensuite utilisée pour aider le mouvement plus fatiguant de tirer le corps vers le haut. Son laboratoire travaille toujours sur l'idée aujourd'hui. Pour son doctorat en biophysique à Harvard, il a développé un modèle numérique pour décrire la course d'un cheval et a établi des principes pour l'imiter de manière robotique. Il a également travaillé au Leg Lab du MIT, qui a fait des progrès dans la construction de robots à pattes capables de marcher et de courir. Le laboratoire était alors dirigé par Gill Pratt '83, SM '87, PhD '90 (son fondateur, Marc Raibert, était déjà parti travailler à plein temps dans l'entreprise qu'il a fondée, Boston Dynamics). Lorsque Herr a obtenu son diplôme, Pratt l'a embauché comme postdoctorant.
Herr a travaillé avec Pratt pour développer une articulation du genou contrôlée par ordinateur qui utilise un fluide magnétorhéologique - un fluide dont la viscosité change lorsqu'un champ magnétique est appliqué - pour faire varier la rigidité de l'articulation lorsqu'une personne marche.
Pratt a été tellement impressionné par le travail de Herr sur le genou, qui a finalement été commercialisé sous le nom de Rheo Knee, qu'il l'a nommé codirecteur du laboratoire, bien que Herr n'était qu'un post-doctorant. Hugh avait d'énormes connaissances pratiques sur les prothèses, il avait une très bonne intuition sur le contrôle et il était également très fort en termes de physique, explique Pratt, maintenant responsable de programme à la DARPA. Lorsque Pratt a quitté le MIT en 2000, Herr a repris le laboratoire, qui est finalement devenu le groupe Biomechatronics au sein du Media Lab.
La science de la marche
Les visiteurs du Biomechatronics Group, qui occupe la moitié d'une grande salle ouverte au deuxième étage du Media Lab, peuvent venir voir l'avenir de la bionique, mais ils commentent souvent l'encombrement. Le laboratoire, qui est généralement rempli d'étudiants et de post-doctorants travaillant sur des projets, est jonché de pièces d'ordinateur, de tasses à café, de fils, de rouleaux de ruban adhésif, d'outils aléatoires et de moules en plastique de pieds humains. Au centre de l'espace se trouve une plate-forme surélevée avec un tapis roulant et un ensemble de barres parallèles à hauteur de hanche. Dix caméras entraînées sur la plate-forme capturent les mouvements des sujets lorsqu'ils courent et marchent sur le tapis roulant. En effet, une partie importante du travail du laboratoire consiste à décrire les mouvements du corps humain. Marcher, bien qu'étant un acte apparemment simple, reste encore largement mystérieux, utilisant de l'énergie d'une manière très économique difficile à recréer en robotique. Nous ne comprenons pas entièrement comment les muscles sont contrôlés, ce qui surprend beaucoup de gens, dit Herr. Bien que les chercheurs aient été capables de simuler suffisamment bien la marche humaine pour créer des robots marcheurs comme ceux utilisés dans le défi robotique de la DARPA, ces robots nécessitent d'énormes quantités de puissance pour faire ce que les humains accomplissent avec une efficacité et une grâce incroyables. Il faudra encore quelques années, dit Herr, pour comprendre suffisamment bien la marche pour programmer des robots et développer des prothèses qui reproduisent efficacement la fonction humaine.
Ces dispositifs de marche et de course conçus dans le laboratoire de Herr sont les précurseurs d'un système développé par sa société dérivée BiOM.
Cette science, dit-il, est essentielle pour concevoir les systèmes de contrôle matériels et logiciels des dispositifs bioniques. Daniel Ferris, directeur du Laboratoire de neuromécanique humaine de l'Université du Michigan, dit que la force de Herr est de connaître les mécanismes biologiques et la physiologie et de fonctionner d'une manière que la plupart des ingénieurs ne connaissent pas. Alors que de nombreux ingénieurs ont construit des dispositifs robotiques pour le mouvement, aucun n'a vraiment égalé la capacité de Hugh à fusionner la biologie avec l'ingénierie.
Les travaux de son laboratoire pour modéliser l'articulation de la cheville humaine ont finalement conduit au développement de la prothèse que Herr utilise aujourd'hui, vendue sous le nom de BiOM T2 par sa start-up BiOM (anciennement appelée iWalk). Il s'agit de la première prothèse de pied et de cheville qui se comporte, comme il le dit, plus comme une moto que comme un vélo, ce qui signifie qu'elle met de l'énergie dans le système plutôt que de compter uniquement sur la force humaine.
Dans la marche humaine, le muscle du mollet et l'articulation de la cheville contribuent le plus de puissance. Le BiOM T2 utilise une batterie pour alimenter un système de microprocesseurs, de capteurs, de ressorts et d'actionneurs ; l'articulation fournit de la rigidité lors d'un coup de talon pour absorber les chocs, puis de la puissance pour aider à propulser le bas de la jambe vers le haut et vers l'avant pendant un pas. Quand vous manquez ce pouvoir, c'est substantiel, dit-il. Quand vous le récupérez, cela change la vie.
Pour aider Adrianne Haslet-Davis à performer, Herr et son équipe ont étudié et modélisé la danse humaine et reprogrammé la prothèse avec des algorithmes qui lui permettraient d'exécuter les rotations nécessaires. Ils l'ont également conçu pour minimiser la batterie au niveau du mollet, pour l'empêcher de gêner les pas de danse.
L'objectif de tels dispositifs est de rendre les prothèses plus naturelles et, en diminuant les coûts énergétiques de la marche, de réduire le stress et la fatigue articulaires. Mais introduire des dispositifs bioniques dans la clinique n'est pas facile. Bob Emerson, un prothésiste chez A Step Ahead Prosthetics qui aide à connecter les patients aux projets de recherche du groupe de Herr, dit qu'il est difficile de persuader les assureurs de payer pour des appareils comme BiOM. C'est une plate-forme technologique de grande envergure; les gens ne le comprennent pas très bien, dit-il. Il dit qu'il faut de la vision et de la persévérance pour conduire des innovations technologiques majeures dans un marché aussi petit et spécialisé.
Il y a encore des inconvénients aux conceptions bioniques actuelles - les prothèses de la cheville comme celles de Herr subissent une ou deux charges de batterie par jour, par exemple - Herr et ses collègues travaillent à rendre les prothèses plus petites, plus légères, plus silencieuses et plus efficaces. Ils participent également aux efforts visant à concevoir des douilles plus confortables pour fixer les membres prothétiques au corps. Les humains sont doux et malléables, dit Herr, et nous ne sommes pas statiques ; on change dans le temps, on gonfle, on rétrécit. Alors, comment y attacher le monde des machines est un problème vraiment difficile.
Herr s'est déjà attaqué au problème de donner aux humains un contrôle meilleur et plus transparent sur les membres artificiels; ses prothèses de cheville BiOM ajustent leur couple et leur puissance en réponse à la contraction musculaire. Il va maintenant plus loin en collaborant avec des chirurgiens et d'autres chercheurs sur les moyens de permettre aux membres bioniques d'être contrôlés directement par le système nerveux, ce qu'il espère démontrer chez l'homme dans les prochaines années. Alors que les interfaces cerveau-machine nécessiteraient une chirurgie invasive pour les implants cérébraux, il souhaite connecter des appareils électroniques aux nerfs périphériques sur le site de la blessure, permettant aux gens de contrôler les membres bioniques avec leurs nerfs existants et potentiellement même de percevoir des sensations dans le membre. L'amputation, qui est actuellement une chirurgie assez grossière, pourrait devenir une procédure sophistiquée consistant à configurer le corps pour qu'il s'interface avec un membre bionique.
Extension des capacités humaines
Le long d'un mur du laboratoire de Biomechatronics Group, des étagères à roulettes connues sous le nom de chariot à desserts contiennent un éventail de prototypes de projets actuels et passés : articulations de cheville, douilles de jambe imprimées en 3D, pieds en bois et chaussures de ski qui s'interfacent avec des moteurs et du métal les pièces. Alors que la collection de prothèses que son laboratoire a déjà produites est impressionnante, Herr ne se contente pas simplement de restaurer les capacités perdues. Son laboratoire travaille également sur des technologies qui pourraient améliorer la fonction humaine normale, nous permettant de marcher ou de courir plus vite, de porter plus de poids ou de grimper plus facilement. Le chariot à dessert contient les premières conceptions d'exosquelettes portables qui permettraient aux gens de se rendre au travail à pied aussi rapidement qu'ils le feraient à vélo, ou de transporter de lourdes charges sans se fatiguer.
Herr grimpe à Shawangunk, New York, en 1990 en portant des prothèses de pied qu'il avait conçues pour son propre usage sur des parois rocheuses.
Construire un exosquelette qui facilite les mouvements est un défi - l'appareil doit offrir un avantage à l'utilisateur qui dépasse le fardeau de le porter. Luke Mooney, étudiant diplômé du groupe de biomécatronique, dit que beaucoup de gens pensent à l'exosquelette et imaginent un costume de style Iron Man. Mais il a récemment travaillé avec Herr sur une approche beaucoup plus minimaliste, se concentrant uniquement sur la fourniture d'une puissance mécanique à la cheville pour réduire l'énergie dont elle a besoin pour marcher. Leur prototype, une chaussure de randonnée attachée à une attelle sur le bas de la jambe et alimentée par une batterie portable, est le premier exosquelette qui peut réellement réduire les coûts métaboliques de la marche, comme démontré dans un étudier publié en mai dans le Journal de neuroingénierie et de réadaptation . Lorsque vous le débranchez, vous avez soudain l'impression que vos pieds sont des blocs de béton, explique Mooney.
Même avec ces succès, les technologues sont encore loin de reproduire les capacités naturelles du corps ou de construire des appareils portables qui peuvent considérablement augmenter ses capacités. J'admire la créativité et l'approche unique de Hugh et son dynamisme, déclare Woodie Flowers, SM '68, ME '70, PhD '72, professeur émérite de génie mécanique qui a aidé à superviser les travaux de recherche de Herr. Mais Herr travaille dans un domaine de recherche très complexe qui implique une relation très intime entre un humain complexe et une machine complexe, souligne-t-il. Je respecte à quel point c'est difficile.
Redéfinir le bon corps
Malgré les défis pratiques, Herr a une vision ambitieuse pour fusionner la technologie avec la biologie. Alors que certains chercheurs et ingénieurs passent sous silence les implications sociales de leur travail, il est devenu un ardent défenseur de la façon dont la technologie peut améliorer le corps.
Beaucoup de gens qui ont été blessés l'admirent pour leur motivation, dit Pratt. Une partie de cette inspiration vient de l'attitude de Herr envers les prothèses. Une fois qu'il a réalisé qu'il pouvait grimper avec des jambes prothétiques, il a commencé à les célébrer plutôt qu'à les cacher, en les peignant de couleurs vives. Aujourd'hui, il porte parfois des pantalons coupés aux genoux, laissant apparaître ses prothèses.
Herr ne s'est jamais soucié d'avoir l'air d'avoir des jambes normales ; en plus des pieds grimpants, il s'est construit des membres artificiels qui lui permettent d'être petit ou très grand. Beaucoup de gens veulent camoufler leurs prothèses, dit-il, parce qu'ils associent l'apparence normale à l'attrait. Je n'ai pas fait le rapprochement, dit-il en riant. Son sens de l'attractivité a été façonné par l'escalade; en tant qu'athlète, il a toujours pensé que le sex-appeal était déterminé par la capacité plus que par l'apparence. Je me fiche de votre apparence, dit-il. Si vous n'êtes pas faible, si vous êtes le contraire, vous êtes très sexy.
En effet, à mesure que les membres artificiels deviennent plus puissants et fonctionnels, ils peuvent parfois être perçus comme le contraire d'un handicap. En 1986, Herr est devenu la deuxième personne à faire une ascension libre d'une fissure de 120 pieds dans l'État de Washington appelée City Park, à l'époque considérée comme l'ascension la plus difficile du pays. Lorsqu'un autre grimpeur y est monté en 2006, la réussite de Herr a été ignorée par un grand magazine d'escalade parce que ses jambes prothétiques étaient considérées comme lui donnant un avantage. Il voit des parallèles avec la façon dont le monde a répondu au coureur olympique Oscar Pistorius, un double amputé qui a été accusé de tricherie lorsqu'il a utilisé ses jambes prothétiques pour rivaliser avec des athlètes valides.
Notre culture est formée pour considérer une personne avec un corps ou un esprit inhabituel comme faible, dit Herr. Quand il n'y a pas de faiblesse, quand il y a un athlète qui gagne contre le corps normal, il y a une confusion qui se produit.
Il croit que les idées sur les prothèses vont changer. Nous sommes tous tellement centrés sur les cellules et les tissus, dit-il. Nous pensons en quelque sorte que nos cellules sont sacrées, et que dès qu'une partie de notre corps est constituée d'atomes de titane ou de quelque chose, c'est moins humain - que vous ne pouvez pas intégrer l'humanité dans les synthétiques. Mais il prédit que ce biais ne persistera que tant que les objets que nous attachons au corps seront grossiers, inconfortables et peu performants. Un membre artificiel qui ne tente pas de ressembler à un membre humain peut sembler moche, dit-il, mais lorsque vous prenez cette même esthétique et que vous la rendez hautement fonctionnelle et puissante, alors [elle] deviendra intrigante et belle.
Avec le temps, pense-t-il, les gens se soucieront moins de ce dont nous sommes faits. Peu importe ce que nous sommes et ce que nous faisons – la qualité de nos vies, dit-il.