TEDGlobal 2011
Todd Kuiken: A prosthetic arm that "feels"
Тод Куикън: Протеза за ръка която "чувства"
Filmed:
Readability: 3.6
964,029 views
Физиотерапевтът и инженер Тод Куикън работи върху протеза за ръка, която се свързва с човешката нервна система -- подобрявайки движението, контрола и дори усета. На сцената, пациентката Аманда Китс помага за демонстрацията на тази роботизирана ръка от следващо поколение.
Todd Kuiken - Biomedical engineer
A doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics. Full bio
A doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
So today, I would like to talk with you
0
0
3000
Днес бих желал да си говорим
00:18
about bionics,
1
3000
2000
за бионика,
00:20
which is the popular term
2
5000
2000
което е научното название за
00:22
for the science of replacing part of a living organism
3
7000
3000
науката, която се занимава със замяната на част от жив организъм
00:25
with a mechatronic device, or a robot.
4
10000
3000
с механично устройство, или робот.
00:28
It is essentially
5
13000
2000
Всъщност
00:30
the stuff of life meets machine.
6
15000
3000
това е срещата между жив организъм и машина.
00:33
And specifically, I'd like to talk with you
7
18000
2000
И по точно бих желал да си говорим
00:35
about how bionics is evolving
8
20000
3000
за това как биониката се развива
00:38
for people with arm amputations.
9
23000
3000
за хората с ампутирани ръце.
00:41
This is our motivation.
10
26000
3000
Това е което ни мотивира.
00:44
Arm amputation causes a huge disability.
11
29000
3000
Загубата на ръка е крайно обезсилващо състояние.
00:47
I mean, the functional impairment is clear.
12
32000
2000
Имам предвид, че намаляването на функционалността е очевидно.
00:49
Our hands are amazing instruments.
13
34000
2000
Нашите ръце са изумителни инструменти.
00:51
And when you lose one, far less both,
14
36000
3000
А когато загубите една от тях, още повече двете,
00:54
it's a lot harder to do the things
15
39000
2000
става доста по-трудно да вършите нещата,
00:56
we physically need to do.
16
41000
2000
които ни се налага да вършим.
00:58
There's also a huge emotional impact.
17
43000
2000
Въздействието върху емоционалното ви състояние също е огромно.
01:00
And actually, I spend as much of my time in clinic
18
45000
2000
Всъщност, в клиниката отделям толкова време
01:02
dealing with the emotional adjustment of patients
19
47000
3000
за справяне с емоционалната нагласа на пациентите,
01:05
as with the physical disability.
20
50000
2000
колкото за самия физически недъг.
01:07
And finally, there's a profound social impact.
21
52000
3000
И накрая, има и дълбоко социално въздействие.
01:10
We talk with our hands.
22
55000
2000
Ние говорим чрез ръцете си.
01:12
We greet with our hands.
23
57000
2000
Поздравяваме се чрез тях.
01:14
And we interact with the physical world with our hands.
24
59000
3000
И взаимодействаме с физическия свят с ръцете си.
01:17
And when they're missing,
25
62000
2000
А когато тях ги няма,
01:19
it's a barrier.
26
64000
2000
сме изправени пред бариера.
01:21
Arm amputation is usually caused by trauma,
27
66000
3000
Обикновено травми са причината за ампутиране на ръце,
01:24
with things like industrial accidents,
28
69000
2000
резултат от индустриални злополуки,
01:26
motor vehicle collisions
29
71000
2000
автомобилни катастрофи
01:28
or, very poignantly, war.
30
73000
2000
или най-вече война.
01:30
There are also some children who are born without arms,
31
75000
3000
Някои деца се раждат без ръце,
01:33
called congenital limb deficiency.
32
78000
3000
състояние наречено вродена липса на крайници.
01:36
Unfortunately, we don't do great
33
81000
2000
За съжаление не се справяме
01:38
with upper-limb prosthetics.
34
83000
2000
добре с протезите за горните крайници.
01:40
There are two general types.
35
85000
2000
Има два основни вида.
01:42
They're called body-powered prostheses,
36
87000
2000
Наричани се задвижвани от тялото протези,
01:44
which were invented just after the Civil War,
37
89000
2000
били са изобретени непосредствено след Гражданската война,
01:46
refined in World War I and World War II.
38
91000
3000
и до усъвършенствани през Първата и Втората световна война.
01:49
Here you see a patent
39
94000
2000
Тук виждате патент
01:51
for an arm in 1912.
40
96000
2000
за ръка през 1912.
01:53
It's not a lot different
41
98000
2000
Не е много по-различна
01:55
than the one you see on my patient.
42
100000
3000
от тази която виждате на моя пациент.
01:58
They work by harnessing shoulder power.
43
103000
2000
Функционират използвайки движенията на рамото.
02:00
So when you squish your shoulders, they pull on a bicycle cable.
44
105000
3000
Когато си свиете рамената, те опъват жило от колело.
02:03
And that bicycle cable can open or close a hand or a hook
45
108000
3000
А то отваря или затваря ръка или кука
02:06
or bend an elbow.
46
111000
2000
или сгъва лакът.
02:08
And we still use them commonly,
47
113000
2000
И ние все още ги използваме често,
02:10
because they're very robust
48
115000
2000
защото са много издръжливи
02:12
and relatively simple devices.
49
117000
2000
и относително прости устройства.
02:14
The state of the art
50
119000
2000
Най-модерни са
02:16
is what we call myoelectric prostheses.
51
121000
2000
миоелектричните протези.
02:18
These are motorized devices
52
123000
2000
Това са моторизирани устройства
02:20
that are controlled
53
125000
2000
които се контролират
02:22
by little electrical signals from your muscle.
54
127000
2000
от електрически сигнали от вашите мускули.
02:24
Every time you contract a muscle,
55
129000
2000
При всяко свиване на мускул,
02:26
it emits a little electricity
56
131000
2000
протича малко електричество,
02:28
that you can record with antennae or electrodes
57
133000
2000
което може да бъде уловено с антени или електроди
02:30
and use that to operate the motorized prosthesis.
58
135000
3000
и да се използва за управление на моторизираната протеза.
02:33
They work pretty well
59
138000
2000
Те са подходящи
02:35
for people who have just lost their hand,
60
140000
2000
за хора загубили само долната част на ръката си,
02:37
because your hand muscles are still there.
61
142000
2000
защото мускулите на ръката все още са си на мястото.
02:39
You squeeze your hand, these muscles contract.
62
144000
2000
Ако стиснете ръката си, те се свиват.
02:41
You open it, these muscles contract.
63
146000
2000
Ако я отворите се разтягат.
02:43
So it's intuitive, and it works pretty well.
64
148000
3000
Така че целият процес е интуитивен и работи доста добре.
02:46
Well how about with higher levels of amputation?
65
151000
2000
Ами при по-лоши случаи?
02:48
Now you've lost your arm above the elbow.
66
153000
2000
Загубили сте ръката си над лакътя.
02:50
You're missing not only these muscles,
67
155000
2000
Тогава ви липсват не само мускулите,
02:52
but your hand and your elbow too.
68
157000
2000
но и ръката и лакътя.
02:54
What do you do?
69
159000
2000
Как ще постъпите?
02:56
Well our patients have to use
70
161000
2000
На нашите пациенти им се налага да се справят с
02:58
very code-y systems
71
163000
3000
много сложни системи,
03:01
of using just their arm muscles
72
166000
2000
използващи само горните мускули на ръката
03:03
to operate robotic limbs.
73
168000
3000
за да работят с роботизирани крайници.
03:06
We have robotic limbs.
74
171000
2000
Имаме роботизирани крайници.
03:08
There are several available on the market, and here you see a few.
75
173000
3000
На пазара могат да се намерят няколко вида и тук можете да видите някои от тях.
03:11
They contain just a hand that will open and close,
76
176000
3000
Те са изградени от ръка, която може да се отваря и затваря,
03:14
a wrist rotator and an elbow.
77
179000
2000
въртяща се китка и лакът.
03:16
There's no other functions.
78
181000
2000
Нямат други функции.
03:18
If they did, how would we tell them what to do?
79
183000
2000
Ако имаха, как бихме ги управлявали?
03:20
We built our own arm at the Rehab Institute of Chicago
80
185000
3000
Ние конструирахме такава ръка в Института по възстановяване в Чикаго,
03:23
where we've added some wrist flexion and shoulder joints
81
188000
3000
като добавихме гъвкавост на китката и движение на рамото
03:26
to get up to six motors, or six degrees of freedom.
82
191000
3000
за да достигнем шест мотора или шест градуса на движения.
03:29
And we've had the opportunity to work with some very advanced arms
83
194000
3000
А и имахме възможността да работим с някои доста напреднали разработки на ръце,
03:32
that were funded by the U.S. military, using these prototypes,
84
197000
3000
които бяха финансирани от Американската армия, използвайки тези прототипи,
03:35
that had up to 10 different degrees of freedom
85
200000
3000
които достигаха до десет различни градуса на движения
03:38
including movable hands.
86
203000
2000
включително подвижна долна част на ръката.
03:40
But at the end of the day,
87
205000
2000
Но в крайна на сметка,
03:42
how do we tell these robotic arms what to do?
88
207000
2000
как да управляваме тези роботизирани ръце?
03:44
How do we control them?
89
209000
2000
Как да ги контролираме?
03:46
Well we need a neural interface,
90
211000
2000
Ами имаме нужда от неврален интерфейс,
03:48
a way to connect to our nervous system
91
213000
2000
начин да се свържем с нашата нервна система
03:50
or our thought processes
92
215000
2000
или нашите мисловни процеси
03:52
so that it's intuitive, it's natural,
93
217000
2000
за да може всичко да е интуитивно, естествено,
03:54
like for you and I.
94
219000
4000
както за вас и мен.
03:58
Well the body works by starting a motor command in your brain,
95
223000
3000
Тялото функционира като задава команда за движение в мозъка,
04:01
going down your spinal cord,
96
226000
2000
която преминава през гръбначния стълб
04:03
out the nerves and to your periphery.
97
228000
2000
и през нервите достига периферията.
04:05
And your sensation's the exact opposite.
98
230000
2000
А усетът е точно противоположното.
04:07
You touch yourself, there's a stimulus
99
232000
2000
Когато се докоснете, сигналът
04:09
that comes up those very same nerves back up to your brain.
100
234000
3000
преминава през същата нервна система за да достигне обратно до мозъка.
04:13
When you lose your arm, that nervous system still works.
101
238000
3000
Когато загубите ръката си, тази нервна система продължава да функционира.
04:16
Those nerves can put out command signals.
102
241000
3000
Тези нерви могат да задават команди.
04:19
And if I tap the nerve ending
103
244000
2000
И ако докосна нервно окончание
04:21
on a World War II vet,
104
246000
2000
на ветеран от Втората световна война,
04:23
he'll still feel his missing hand.
105
248000
2000
той пак би почуствал липсващата му ръка.
04:25
So you might say,
106
250000
2000
Може би си казвате,
04:27
let's go to the brain
107
252000
2000
да се обърнем към мозъка
04:29
and put something in the brain to record signals,
108
254000
3000
и да поставим нещо в него, което да записва тези сигнали,
04:32
or in the end of the peripheral nerve and record them there.
109
257000
3000
или на периферните нерви и да ги записваме там.
04:35
And these are very exciting research areas,
110
260000
3000
Тези проучвание са много вълнуващи,
04:38
but it's really, really hard.
111
263000
2000
но и много, много трудни.
04:40
You have to put in
112
265000
2000
Трябва да поставите
04:42
hundreds of microscopic wires
113
267000
2000
стотици микроскопични жици
04:44
to record from little tiny individual neurons -- ordinary fibers
114
269000
4000
за да записвате от малки, миниатюрни индивидуални неврони -- обикновени фибри
04:48
that put out tiny signals
115
273000
2000
които издават слаби сигнали
04:50
that are microvolts.
116
275000
2000
от порядъка на микроволтове.
04:52
And it's just too hard
117
277000
2000
А и това е твърде трудно
04:54
to use now and for my patients today.
118
279000
2000
приложимо за пациентите ми днес.
04:56
So we developed a different approach.
119
281000
3000
За това подходихме по различен начин.
04:59
We're using a biological amplifier
120
284000
3000
Използваме биологичен усилвател
05:02
to amplify these nerve signals -- muscles.
121
287000
3000
за да усилим нервните сигнали -- мускули.
05:05
Muscles will amplify the nerve signals
122
290000
2000
Те могат да увеличат нервните сигнали
05:07
about a thousand-fold,
123
292000
2000
1000 пъти,
05:09
so that we can record them from on top of the skin,
124
294000
3000
за да можем да ги уловим на повърхността на кожата,
05:12
like you saw earlier.
125
297000
2000
както видяхте по-рано.
05:14
So our approach is something we call targeted reinnervation.
126
299000
3000
Нашият подход се нарича целева реинервация.
05:17
Imagine, with somebody who's lost their whole arm,
127
302000
3000
Представете си, че имаме човек загубил цялата си ръка,
05:20
we still have four major nerves
128
305000
2000
той все още има четирите главни нерва
05:22
that go down your arm.
129
307000
2000
които се движат по ръката му.
05:24
And we take the nerve away from your chest muscle
130
309000
3000
Ние отделяме нерва от гръдния мускул
05:27
and let these nerves grow into it.
131
312000
3000
и позволяваме на тези нерви да се срастнат с него.
05:30
Now you think, "Close hand," and a little section of your chest contracts.
132
315000
3000
Когато си помислите, "Затвори ръка" малка част от гърдите ви реагира.
05:33
You think, "Bend elbow,"
133
318000
2000
Мислите си, "Свий лакът,"
05:35
a different section contracts.
134
320000
2000
друга част се свива.
05:37
And we can use electrodes or antennae
135
322000
2000
А ние можем да използваме електроди или антени
05:39
to pick that up and tell the arm to move.
136
324000
3000
с които да уловим тези реакции и да накараме ръката да се движи.
05:42
That's the idea.
137
327000
2000
Това е идеята.
05:44
So this is the first man that we tried it on.
138
329000
3000
Това е първият човек с когото опитахме това.
05:47
His name is Jesse Sullivan.
139
332000
2000
Той се казва Джеси Съливан.
05:49
He's just a saint of a man --
140
334000
2000
Той е просто светец --
05:51
54-year-old lineman who touched the wrong wire
141
336000
2000
54 годишен кантонер, докоснал грешната жица
05:53
and had both of his arms burnt so badly
142
338000
3000
и изгорил ръцете си толкова лошо,
05:56
they had to be amputated at the shoulder.
143
341000
2000
че се наложило да ги ампутират от рамото.
05:58
Jesse came to us at the RIC
144
343000
2000
Джеси дойде при нас, в ЧИР
06:00
to be fit with these state-of-the-art devices, and here you see them.
145
345000
3000
за да му сложим тези най-съвременни устройства, а ето ги и тях.
06:03
I'm still using that old technology
146
348000
3000
Все още използвам онази стара технология,
06:06
with a bicycle cable on his right side.
147
351000
2000
с жилата на неговата дясна страна.
06:08
And he picks which joint he wants to move with those chin switches.
148
353000
3000
А той избира кой възел да движи като натиска копчета с брадичката си.
06:11
On the left side he's got a modern motorized prosthesis
149
356000
3000
В ляво, той има модерна моторизирана протеза
06:14
with those three joints,
150
359000
2000
с тези три стави,
06:16
and he operates little pads in his shoulder
151
361000
3000
и той я движи като докосва малки подложки
06:19
that he touches to make the arm go.
152
364000
2000
с рамото си.
06:21
And Jesse's a good crane operator,
153
366000
2000
А Джеси е добър кранист
06:23
and he did okay by our standards.
154
368000
2000
и се справи добре по нашите стандарти.
06:25
He also required a revision surgery on his chest.
155
370000
3000
Той също така се нуждаеше от коригираща операция на гръдния кош.
06:28
And that gave us the opportunity
156
373000
2000
И това ни даде възможност
06:30
to do targeted reinnervation.
157
375000
2000
да приложим целевата реинервация
06:32
So my colleague, Dr. Greg Dumanian, did the surgery.
158
377000
3000
Моят колега, Д-р Грег Дюмейниън, извърши операцията.
06:35
First, we cut away the nerve to his own muscle,
159
380000
3000
Първо премахнахме нерва от неговия мускул,
06:38
then we took the arm nerves
160
383000
2000
след което пренасочихме нервите на ръката
06:40
and just kind of had them shift down onto his chest
161
385000
2000
надолу към неговия гръден кош
06:42
and closed him up.
162
387000
2000
и го затворихме.
06:44
And after about three months,
163
389000
2000
И след около 3 месеца,
06:46
the nerves grew in a little bit and we could get a twitch.
164
391000
2000
нервите бяха се врасли малко и можехме да видим потрепване.
06:48
And after six months, the nerves grew in well,
165
393000
3000
А след 6 месеца се бяха врасли добре,
06:51
and you could see strong contractions.
166
396000
2000
и можеха да свиват мускула.
06:53
And this is what it looks like.
167
398000
2000
А ето как изглежда това.
06:55
This is what happens when Jesse thinks
168
400000
2000
Това се случва когато Джеси иска
06:57
open and close his hand,
169
402000
2000
да отвори или затвори ръката си,
06:59
or bend or straighten your elbow.
170
404000
3000
или да свие или изправи лакътя си.
07:02
You can see the movements on his chest,
171
407000
2000
Можете да видите движенията на гръдните му мускули,
07:04
and those little hash marks
172
409000
2000
а тези отметки
07:06
are where we put our antennae, or electrodes.
173
411000
2000
отбелязват местата, където поставяме антените или електродите.
07:08
And I challenge anybody in the room
174
413000
2000
А аз ви предизвиквам
07:10
to make their chest go like this.
175
415000
2000
да повторите тези гръдни движения.
07:12
His brain is thinking about his arm.
176
417000
2000
Мозъкът му си мисли за неговата ръка.
07:14
He has not learned how to do this with the chest.
177
419000
3000
Той не се е научил да прави това с гърдите си.
07:17
There is not a learning process.
178
422000
2000
Тук няма процес на учене.
07:19
That's why it's intuitive.
179
424000
2000
Точно за това е интуитивно.
07:21
So here's Jesse in our first little test with him.
180
426000
3000
А ето го и Джеси по време на един от първите тестове.
07:24
On the left-hand side, you see his original prosthesis,
181
429000
3000
От ляво можете да видите първата му протеза,
07:27
and he's using those switches
182
432000
2000
и той използва тези копчета,
07:29
to move little blocks from one box to the other.
183
434000
2000
за да мести малки кубчета от едната кутия в другата.
07:31
He's had that arm for about 20 months, so he's pretty good with it.
184
436000
3000
Той е използвал тази ръка 20 месеца, за това е доста добър с нея.
07:34
On the right side,
185
439000
2000
От дясно,
07:36
two months after we fit him with his targeted reinnervation prosthesis --
186
441000
3000
два месеца след като сме му сложили реинервационната протеза --
07:39
which, by the way, is the same physical arm,
187
444000
3000
която, между другото, физически си е същата,
07:42
just programmed a little different --
188
447000
2000
просто е програмирана по различен начин --
07:44
you can see that he's much faster
189
449000
2000
може да видите, че той е доста по-бърз
07:46
and much smoother as he moves these little blocks.
190
451000
3000
и плавен, докато мести кубчетата.
07:49
And we're only able to use three of the signals at this time.
191
454000
3000
А по това време можехме да използваме само 3 от сигналите.
07:52
Then we had one of those little surprises in science.
192
457000
5000
И тогава бяхме изненадани.
07:57
So we're all motivated to get motor commands
193
462000
2000
Всички бяхме мотивирани да използваме команди,
07:59
to drive robotic arms.
194
464000
2000
за да задвижваме роботизирани ръце.
08:01
And after a few months,
195
466000
2000
А след няколко месеца,
08:03
you touch Jesse on his chest,
196
468000
2000
ако докоснехме Джеси по гърдите,
08:05
and he felt his missing hand.
197
470000
3000
той чувстваше липсващата му ръка.
08:08
His hand sensation grew into his chest again
198
473000
2000
Усетът на ръката му се беше прехвърлил на гърдите му
08:10
probably because we had also taken away a lot of fat,
199
475000
3000
вероятно защото бяхме премахнали доста мазнина,
08:13
so the skin was right down to the muscle
200
478000
2000
така че кожата му да е директно върху мускула
08:15
and deinnervated, if you would, his skin.
201
480000
2000
и бяхме деинервирали кожата му, така да се каже.
08:17
So you touch Jesse here, he feels his thumb;
202
482000
2000
Така че ако докоснете Джеси тук, той чувства палеца си;
08:19
you touch it here, he feels his pinky.
203
484000
2000
ако го докоснете тук, чувства кутрето си.
08:21
He feels light touch
204
486000
2000
Той чувства лек допир,
08:23
down to one gram of force.
205
488000
2000
от порядъка на натиск с 1 грам.
08:25
He feels hot, cold, sharp, dull,
206
490000
3000
Чувства горещо, студено, остро, тъпо,
08:28
all in his missing hand,
207
493000
2000
всичко в липсващата му ръка,
08:30
or both his hand and his chest,
208
495000
2000
или едновременно в ръката и гърдите си,
08:32
but he can attend to either.
209
497000
2000
но може да го прави и с двете.
08:34
So this is really exciting for us,
210
499000
2000
Това е много вълнуващо за нас,
08:36
because now we have a portal,
211
501000
2000
защото това ни дава възможност,
08:38
a portal, or a way to potentially give back sensation,
212
503000
4000
възможност, или начин да възвърнем усета му,
08:42
so that he might feel what he touches
213
507000
2000
за да може той отново да чувства това което докосва
08:44
with his prosthetic hand.
214
509000
2000
с неговата протеза.
08:46
Imagine sensors in the hand
215
511000
2000
Представете си сензори, поставени в протезата,
08:48
coming up and pressing on this new hand skin.
216
513000
3000
които допират тази нова кожа на ръката
08:51
So it was very exciting.
217
516000
2000
За това бяхме много развълнувани.
08:53
We've also gone on
218
518000
2000
Също така продължихме
08:55
with what was initially our primary population
219
520000
2000
най-вече с хора
08:57
of people with above-the-elbow amputations.
220
522000
2000
с ръце, ампутирани над лакътя.
08:59
And here we deinnervate, or cut the nerve away,
221
524000
3000
А тук деинервираме, или изрязваме нерва,
09:02
just from little segments of muscle
222
527000
2000
само от малка част от мускула
09:04
and leave others alone
223
529000
2000
и оставяме другите части незасегнати,
09:06
that give us our up-down signals
224
531000
2000
която ни дава сигнали за нагоре и надолу
09:08
and two others that will give us a hand open and close signal.
225
533000
3000
и две други които ще ни дават сигнали за отваряне и затваряне на ръката.
09:11
This was one of our first patients, Chris.
226
536000
2000
Това е един от първите ни пациенти, Крис.
09:13
You see him with his original device
227
538000
2000
Виждате го с първата му протеза
09:15
on the left there after eight months of use,
228
540000
2000
в ляво, след 8 месечна употреба,
09:17
and on the right, it is two months.
229
542000
2000
а в дясно, след два месеца.
09:19
He's about four or five times as fast
230
544000
3000
Той изпълнява тази проста задача
09:22
with this simple little performance metric.
231
547000
3000
четири или пет пъти по-бързо.
09:25
All right.
232
550000
2000
Добре.
09:27
So one of the best parts of my job
233
552000
3000
Един от най-хубавите аспекти на работата ми
09:30
is working with really great patients
234
555000
2000
е че работя със страхотни пациенти,
09:32
who are also our research collaborators.
235
557000
2000
които също така ни съдействат в проучванията.
09:34
And we're fortunate today
236
559000
2000
За нас днес е удоволствие
09:36
to have Amanda Kitts come and join us.
237
561000
2000
Аманда Китс да ни е на гости.
09:38
Please welcome Amanda Kitts.
238
563000
2000
Моля посрещнете Аманда Китс.
09:40
(Applause)
239
565000
7000
(Аплодисменти)
09:47
So Amanda, would you please tell us how you lost your arm?
240
572000
3000
Аманда, би ли ни разказала как загуби ръката си, моля те?
09:50
Amanda Kitts: Sure. In 2006, I had a car accident.
241
575000
3000
Аманда Китс: Разбира се. През 2006, претърпях автомобилна катастрофа.
09:53
And I was driving home from work,
242
578000
3000
Докато шофирах към къщи,
09:56
and a truck was coming the opposite direction,
243
581000
2000
камион движещ се в противоположна посока,
09:58
came over into my lane,
244
583000
2000
навлезе в моето платно,
10:00
ran over the top of my car and his axle tore my arm off.
245
585000
4000
прегази колата ми, а оста му ми откъсна ръката.
10:04
Todd Kuiken: Okay, so after your amputation, you healed up.
246
589000
3000
Тод Куикън: Добре, след ампутацията, си се възстановила.
10:07
And you've got one of these conventional arms.
247
592000
2000
И са ти дали една от тези конвенционални протези.
10:09
Can you tell us how it worked?
248
594000
3000
Можеш ли да ни кажеш как работеше тя?
10:12
AK: Well, it was a little difficult,
249
597000
2000
АК: Ами, беше малко трудно,
10:14
because all I had to work with was a bicep and a tricep.
250
599000
2000
защото всичко което можех да използвам бяха бицепса и трицепса.
10:16
So for the simple little things like picking something up,
251
601000
3000
За това дори за най-простите неща, като например да вдигна нещо,
10:19
I would have to bend my elbow,
252
604000
3000
ми се налагаше да свия лакътя си,
10:22
and then I would have to cocontract
253
607000
2000
да свия двата мускула едновременно,
10:24
to get it to change modes.
254
609000
2000
за да сменя режима.
10:26
When I did that,
255
611000
2000
И когато направех това,
10:28
I had to use my bicep
256
613000
3000
трябваше да използвам бицепса си,
10:31
to get the hand to close,
257
616000
2000
за да накарам ръката ми да се затвори
10:33
use my tricep to get it to open,
258
618000
2000
и трицепса за да я накарам да се отвори,
10:35
cocontract again
259
620000
2000
да свия двата мускула отново,
10:37
to get the elbow to work again.
260
622000
2000
за да накарам лакътя да работи отново.
10:39
TK: So it was a little slow?
261
624000
2000
ТК: Значи е работила малко бавно?
10:41
AK: A little slow, and it was just hard to work.
262
626000
3000
АК: Малко бавно и беше просто трудно за управление.
10:44
You had to concentrate a whole lot.
263
629000
2000
Налагаше ми се да се концентрирам доста повече.
10:46
TK: Okay, so I think about nine months later
264
631000
3000
ТК: Добре, мисля че бяха минали 9 месеца,
10:49
that you had the targeted reinnervation surgery,
265
634000
2000
когато си се подложила на целевата реинервация,
10:51
took six more months to have all the reinnervation.
266
636000
3000
завършването на която отне още 6 месеца.
10:54
Then we fit her with a prosthesis.
267
639000
3000
След което й сложихме протеза.
10:57
And how did that work for you?
268
642000
2000
А как се развиха нещата за теб?
10:59
AK: It works good.
269
644000
3000
АК: Ами добре.
11:02
I was able to use my elbow
270
647000
4000
Можех да изпозлвам лакътя
11:06
and my hand simultaneously.
271
651000
3000
и ръката си едновременно.
11:09
I could work them just by my thoughts.
272
654000
2000
Можех да ги командвам само с мисълта си.
11:11
So I didn't have to do any of the cocontracting and all that.
273
656000
3000
Така че не ми се налагаше да сменям режима и други подобни.
11:14
TK: A little faster?
274
659000
2000
ТК: Малко по-бързо?
11:16
AK: A little faster. And much more easy, much more natural.
275
661000
4000
АК: Малко по-бързо. И много, много по-лесно, много по-естествено.
11:20
TK: Okay, this was my goal.
276
665000
3000
ТК: Добре, това беше моята цел.
11:23
For 20 years, my goal was to let somebody
277
668000
3000
От 20 години, моята цел бе да направя възможно човек
11:26
[be] able to use their elbow and hand in an intuitive way
278
671000
3000
да използва лакътя и ръката си интуитивно
11:29
and at the same time.
279
674000
2000
и едновременно.
11:31
And we now have over 50 patients around the world who have had this surgery,
280
676000
3000
И сега над 50 от нашите пациенти са се подложили на тази операция,
11:34
including over a dozen of our wounded warriors
281
679000
2000
включително над дузина ранени войници
11:36
in the U.S. armed services.
282
681000
2000
от въоръжените сили на САЩ.
11:38
The success rate of the nerve transfers is very high.
283
683000
3000
Процентът успешни нервни трансфери е много висок.
11:41
It's like 96 percent.
284
686000
2000
Около 96.
11:43
Because we're putting a big fat nerve onto a little piece of muscle.
285
688000
3000
Защото поставяме голям нерв върху малко парче мускул.
11:46
And it provides intuitive control.
286
691000
4000
А това осигурява интуитивен контрол.
11:50
Our functional testing, those little tests,
287
695000
2000
Нашият функционален тест, онези малки тестове,
11:52
all show that they're a lot quicker and a lot easier.
288
697000
2000
всички показват, че те са много по-бързи и по-лесни.
11:54
And the most important thing
289
699000
2000
А най-важното е,
11:56
is our patients have appreciated it.
290
701000
2000
че нашите пациенти го оценяват.
11:58
So that was all very exciting.
291
703000
2000
Така че всичко това беше много вълнуващо.
12:00
But we want to do better.
292
705000
3000
Но ние искаме да станем още по-добри.
12:03
There's a lot of information in those nerve signals,
293
708000
4000
В тези нервни сигнали има много информация,
12:07
and we wanted to get more.
294
712000
2000
а ние искахме да използваме повече от нея.
12:09
You can move each finger. You can move your thumb, your wrist.
295
714000
3000
Можете да движите всеки пръст. Можете да движите палецът, китката.
12:12
Can we get more out of it?
296
717000
2000
Можем ли да постигнем повече?
12:14
So we did some experiments
297
719000
2000
За това проведохме експерименти,
12:16
where we saturated our poor patients with zillions of electrodes
298
721000
3000
при които обсипахме горките ни пациенти с милиарди електроди,
12:19
and then had them try to do two dozen different tasks --
299
724000
3000
след което ги накарахме да се опитат да извършат две дузини различни задачи --
12:22
from wiggling a finger to moving a whole arm
300
727000
3000
от това да си въртят пръста, през това да движат цялата си ръка
12:25
to reaching for something --
301
730000
2000
до това да се пресегнат за нещо --
12:27
and recorded this data.
302
732000
2000
и записахме данните.
12:29
And then we used some algorithms
303
734000
2000
След което използвахме алгоритми,
12:31
that are a lot like speech recognition algorithms,
304
736000
2000
подобни на тези за разпознаване на реч,
12:33
called pattern recognition.
305
738000
2000
за разпознаване на модели.
12:35
See.
306
740000
2000
Вижте.
12:37
(Laughter)
307
742000
2000
(Смях)
12:39
And here you can see, on Jesse's chest,
308
744000
2000
А тук можете да видите, на гръдния кош на Джеси,
12:41
when he just tried to do three different things,
309
746000
2000
когато се опита да направи само три различни неща,
12:43
you can see three different patterns.
310
748000
2000
можете да видите три различни модела.
12:45
But I can't put in an electrode
311
750000
2000
Но не мога да поставя електрод
12:47
and say, "Go there."
312
752000
2000
и да кажа, "Отиди там".
12:49
So we collaborated with our colleagues in University of New Brunswick,
313
754000
3000
За това си сътрудничихме с колегите от Ню Брунсуикския университет
12:52
came up with this algorithm control,
314
757000
2000
и създадохме този алгоритмичен контрол,
12:54
which Amanda can now demonstrate.
315
759000
2000
който Аманда може да ни демонстрира.
12:56
AK: So I have the elbow that goes up and down.
316
761000
5000
АК: Така, имам лакът, който се движи нагоре и надолу.
13:01
I have the wrist rotation
317
766000
2000
Имам ротационна китка,
13:03
that goes -- and it can go all the way around.
318
768000
3000
която -- да може да се завърти напълно.
13:06
And I have the wrist flexion and extension.
319
771000
4000
Също така мога да движа китката нагоре надолу.
13:10
And I also have the hand closed and open.
320
775000
3000
А мога и да отварям и затварям ръка.
13:13
TK: Thank you, Amanda.
321
778000
2000
ТК: Благодаря ти, Аманда.
13:15
Now this is a research arm,
322
780000
2000
Сега, тази протеза е за проучвания,
13:17
but it's made out of commercial components from here down
323
782000
3000
но е изработена от достъпни компоненти от тук надолу
13:20
and a few that I've borrowed from around the world.
324
785000
3000
и няколко, които съм взел назаем от целия свят.
13:23
It's about seven pounds,
325
788000
3000
Тежи около 3 килограма,
13:26
which is probably about what my arm would weigh
326
791000
2000
което е долу горе колкото би тежала моята ръка,
13:28
if I lost it right here.
327
793000
2000
ако я бях изгубил от тук.
13:30
Obviously, that's heavy for Amanda.
328
795000
3000
Очевидно, това е тежко за Аманда.
13:33
And in fact, it feels even heavier,
329
798000
2000
Всъщност, тя го усеща още по-тежко,
13:35
because it's not glued on the same.
330
800000
2000
защото не е залепена на място.
13:37
She's carrying all the weight through harnesses.
331
802000
2000
Тя носи цялата тежест чрез опасани колани.
13:39
So the exciting part isn't so much the mechatronics,
332
804000
3000
Така че вълнуващата част е не толкова механичната,
13:42
but the control.
333
807000
2000
а управлението.
13:44
So we've developed a small microcomputer
334
809000
3000
Така че ние разработихме малък микрокомпютър,
13:47
that is blinking somewhere behind her back
335
812000
3000
който мига някъде зад гърба й
13:50
and is operating this
336
815000
2000
и управлява това
13:52
all by the way she trains it
337
817000
2000
по начина по който тя му казва
13:54
to use her individual muscle signals.
338
819000
2000
да използва нейните мускулни сигнали.
13:56
So Amanda, when you first started using this arm,
339
821000
2000
Така Аманда, когато за първи път започна да използваш тази ръка,
13:58
how long did it take to use it?
340
823000
3000
колко ти отне да се научиш?
14:01
AK: It took just about probably three to four hours
341
826000
2000
АК: Отне само около 3, 4 часа,
14:03
to get it to train.
342
828000
2000
за да я тренирам.
14:05
I had to hook it up to a computer,
343
830000
2000
Налагаше се да я включвам към компютър,
14:07
so I couldn't just train it anywhere.
344
832000
2000
така че не можех да я програмирам където и да е.
14:09
So if it stopped working, I just had to take it off.
345
834000
3000
Така че ако спреше да функционира, трябваше просто да я сваля.
14:12
So now it's able to train
346
837000
2000
Но сега може да се програмира
14:14
with just this little piece on the back.
347
839000
2000
с тази малка машина на гърба ми.
14:16
I can wear it around.
348
841000
2000
Мога да я нося навсякъде.
14:18
If it stops working for some reason, I can retrain it.
349
843000
3000
Ако поради някаква причина спре да работи, мога да я препрограмирам.
14:21
Takes about a minute.
350
846000
2000
Отнема около минута.
14:23
TK: So we're really excited,
351
848000
2000
ТК: Затова сме много развълнувани,
14:25
because now we're getting to a clinically practical device.
352
850000
3000
защото сме достигнали до клинически практично устройство.
14:28
And that's where our goal is --
353
853000
2000
А такава е и нашата цел --
14:30
to have something clinically pragmatic to wear.
354
855000
4000
да направим нещо, което е прагматично за употреба.
14:34
We've also had Amanda able to use
355
859000
3000
Аманда също така може да използва
14:37
some of our more advanced arms that I showed you earlier.
356
862000
3000
някои от нашите по-усъвършенствани ръце, които ви показах по-рано.
14:41
Here's Amanda using an arm made by DEKA Research Corporation.
357
866000
3000
Тук Аманда използва ръка разработена от Изследователска корпорация ДЕКА.
14:44
And I believe Dean Kamen presented it at TED a few years ago.
358
869000
4000
А и мисля, че Дийн Камен я представи в ТЕД преди няколко години.
14:48
So Amanda, you can see,
359
873000
2000
Така че, Аманда, както виждате,
14:50
has really good control.
360
875000
2000
упражнява наистина добър контрол.
14:52
It's all the pattern recognition.
361
877000
2000
Всичко е в разпознаването на модели.
14:54
And it now has a hand that can do different grasps.
362
879000
3000
И сега имаме ръка, която може да захваща по различни начини.
14:57
What we do is have the patient go all the way open
363
882000
3000
Това което правим е, караме пациентът да отвори ръката напълно
15:00
and think, "What hand grasp pattern do I want?"
364
885000
3000
и да реши, "Какъв модел на захващане искам?"
15:03
It goes into that mode,
365
888000
2000
Тя влиза в този режим
15:05
and then you can do up to five or six different hand grasps with this hand.
366
890000
2000
и тогава можете да направите до 5 или 6 различни хващания с тази ръка.
15:07
Amanda, how many were you able to do with the DEKA arm?
367
892000
3000
Аманда, колко успя да направиш с ДЕКА ръката?
15:10
AK: I was able to get four.
368
895000
2000
АК: Успях да направя 4.
15:12
I had the key grip, I had a chuck grip,
369
897000
3000
Ключово хващане, здраво ръкостискане,
15:15
I had a power grasp
370
900000
2000
юмручно хващане
15:17
and I had a fine pinch.
371
902000
2000
и щипка.
15:19
But my favorite one was just when the hand was open,
372
904000
2000
Но любима ми е отворената ръка,
15:21
because I work with kids,
373
906000
2000
защотот работя с деца,
15:23
and so all the time you're clapping and singing,
374
908000
3000
така че през цялото време ми се налага да ръкопляскам и пея,
15:26
so I was able to do that again, which was really good.
375
911000
3000
и можех отново да правя това, което беше хубаво.
15:29
TK: That hand's not so good for clapping.
376
914000
2000
ТК: Тази ръка не става за пляскане.
15:31
AK: Can't clap with this one.
377
916000
2000
АК: Не мога да пляскам с тази.
15:33
TK: All right. So that's exciting
378
918000
2000
ТК: Добре. Вълнуващо е да си помислим
15:35
on where we may go with the better mechatronics,
379
920000
2000
какво можем да постигнем с по-добра механика,
15:37
if we make them good enough
380
922000
2000
ако я направим достатъчно добра
15:39
to put out on the market and use in a field trial.
381
924000
3000
за да се предлага на пазара и да се тества в полеви условия.
15:42
I want you to watch closely.
382
927000
2000
Искам да гледате внимателно.
15:44
(Video) Claudia: Oooooh!
383
929000
2000
(Видео) Клаудия: Уууу!
15:46
TK: That's Claudia,
384
931000
2000
ТК: Това е Клаудия,
15:48
and that was the first time
385
933000
2000
и това е първия път,
15:50
she got to feel sensation through her prosthetic.
386
935000
3000
когато тя почуства какво докосва с протезата си.
15:53
She had a little sensor at the end of her prosthesis
387
938000
3000
На края на протезата и има малък сензор,
15:56
that then she rubbed over different surfaces,
388
941000
3000
който тя прокарва по различни повърхности
15:59
and she could feel different textures
389
944000
2000
и усеща различната структура
16:01
of sandpaper, different grits, ribbon cable,
390
946000
3000
на шкурка, песъчинки, лента,
16:04
as it pushed on her reinnervated hand skin.
391
949000
3000
докато те въздействат на реинервираната кожа на ръката й.
16:07
She said that when she just ran it across the table,
392
952000
3000
Тя каза, че дори когато само я прокарва по масата,
16:10
it felt like her finger was rocking.
393
955000
2000
усеща, че пръстът й се люлее.
16:12
So that's an exciting laboratory experiment
394
957000
2000
Така че това е един вълнуващ лабораторен експеримент,
16:14
on how to give back, potentially, some skin sensation.
395
959000
3000
който ни показва как бихме могли да върнем поне част от усета на кожата.
16:17
But here's another video that shows some of our challenges.
396
962000
3000
Но ето и още едно видео, което показва някои от предизвикателствата пред които сме изправени.
16:20
This is Jesse, and he's squeezing a foam toy.
397
965000
3000
Това е Джеси, той стиска бутилка с пяна.
16:23
And the harder he squeezes -- you see a little black thing in the middle
398
968000
3000
И колкото по-силно стиска -- виждате едно малко, черно нещо в средата,
16:26
that's pushing on his skin proportional to how hard he squeezes.
399
971000
3000
което натиска кожата му със сила, пропорционална на тази с която стиска той.
16:29
But look at all the electrodes around it.
400
974000
2000
Но обърнете внимание на всички електроди около него.
16:31
I've got a real estate problem.
401
976000
2000
Имаме проблем с мястото.
16:33
You're supposed to put a bunch of these things on there,
402
978000
2000
Трябва да поставим доста от тези неща там,
16:35
but our little motor's making all kinds of noise
403
980000
3000
но нашият малък мотор е доста шумен
16:38
right next to my electrodes.
404
983000
2000
и то точно до електродите ми.
16:40
So we're really challenged on what we're doing there.
405
985000
3000
Така че наистина сме изправени пред предизвикателство.
16:43
The future is bright.
406
988000
2000
Бъдещето е светло.
16:45
We're excited about where we are and a lot of things we want to do.
407
990000
3000
Развълнувани сме от това което сме постигнали и от нещата които искаме да направим.
16:48
So for example,
408
993000
2000
Например,
16:50
one is to get rid of my real estate problem
409
995000
3000
едно от нещата е да решим проблема с мястото
16:53
and get better signals.
410
998000
2000
и да подобрим качеството на сигнала.
16:55
We want to develop these little tiny capsules
411
1000000
3000
Искаме да разработим тези миниатюрни капсули
16:58
about the size of a piece of risotto
412
1003000
2000
с размер на зрънце ризото
17:00
that we can put into the muscles
413
1005000
2000
които можем да поставим в мускулите
17:02
and telemeter out the EMG signals,
414
1007000
3000
и да измерваме ЕМГ сигналите,
17:05
so that it's not worrying about electrode contact.
415
1010000
3000
за да не се тревожим за електродите.
17:08
And we can have the real estate open
416
1013000
2000
Така можем да освободим място,
17:10
to try more sensation feedback.
417
1015000
2000
където да се опитаме да възстановим усета в по-голяма степен.
17:12
We want to build a better arm.
418
1017000
2000
Искаме да направим по-добра ръка.
17:14
This arm -- they're always made for the 50th percentile male --
419
1019000
4000
Тази ръка -- те винаги са направени за мъж от половината група --
17:18
which means they're too big for five-eighths of the world.
420
1023000
4000
което означава, че са твърде големи за 5/8 от населението.
17:22
So rather than a super strong or super fast arm,
421
1027000
3000
Така че вместо супер силна и бърза ръка,
17:25
we're making an arm that is --
422
1030000
2000
ние правим ръка, която е --
17:27
we're starting with,
423
1032000
2000
започваме с,
17:29
the 25th percentile female --
424
1034000
3000
за жена от първите 25% --
17:32
that will have a hand that wraps around,
425
1037000
2000
която ще има ръка, която ще може да обхваща,
17:34
opens all the way,
426
1039000
2000
да се отваря напълно,
17:36
two degrees of freedom in the wrist and an elbow.
427
1041000
3000
да има две степени на движения на китката и лакътя.
17:39
So it'll be the smallest and lightest
428
1044000
2000
Така че, тя ще бъде най-малката и най-леката
17:41
and the smartest arm ever made.
429
1046000
2000
и най-умната ръка правена някога.
17:43
Once we can do it that small,
430
1048000
2000
След като я направим толкова малка,
17:45
it's a lot easier making them bigger.
431
1050000
2000
ще ни бъде много по-лесно да я направим по-голяма.
17:47
So those are just some of our goals.
432
1052000
3000
Така че, това са само част от целите ни.
17:50
And we really appreciate you all being here today.
433
1055000
4000
Ние наистина се радваме че всички вие сте тук днес.
17:54
I'd like to tell you a little bit about the dark side,
434
1059000
2000
Бих желал да ви разкажа малко и за тъмната страна,
17:56
with yesterday's theme.
435
1061000
2000
в духа на вчерашната тема.
17:58
So Amanda came jet-lagged,
436
1063000
2000
Аманада беше уморена от полета,
18:00
she's using the arm,
437
1065000
2000
тя използва ръката
18:02
and everything goes wrong.
438
1067000
2000
и всичко се обърка.
18:04
There was a computer spook,
439
1069000
2000
Имахме проблем с компютъра,
18:06
a broken wire,
440
1071000
2000
скъсана жица,
18:08
a converter that sparked.
441
1073000
2000
окъсил трансформатор.
18:10
We took out a whole circuit in the hotel
442
1075000
2000
Извадихме цяла верига в хотела
18:12
and just about put on the fire alarm.
443
1077000
2000
и за малко да включим пожарната аларма.
18:14
And none of those problems could I have dealt with,
444
1079000
3000
Нямаше да се справя с нито един от тези проблеми,
18:17
but I have a really bright research team.
445
1082000
2000
ако нямах толкова добър екип.
18:19
And thankfully Dr. Annie Simon was with us
446
1084000
3000
За щастие Д-р Ани Саймън беше с нас
18:22
and worked really hard yesterday to fix it.
447
1087000
2000
и работи наистина усърдно вчера за да я поправи.
18:24
That's science.
448
1089000
2000
Това е науката.
18:26
And fortunately, it worked today.
449
1091000
2000
И за щастие, днес всичко се получи.
18:28
So thank you very much.
450
1093000
2000
За това ви благодаря много.
18:30
(Applause)
451
1095000
14000
(Аплодисменти)
ABOUT THE SPEAKER
Todd Kuiken - Biomedical engineerA doctor and engineer, Todd Kuiken builds new prosthetics that connect with the human nervous system. Yes: bionics.
Why you should listen
As Dean Kamen said at TED2007, the design of the prosthetic arm hadn't really been updated since the Civil War -- basically "a stick and a hook." But at the Rehabilitation Institute of Chicago, physiatrist Todd Kuiken is building new arms and hands that are wired into the nervous system and can be controlled by the same impulses from the brain that once controlled flesh and blood.
Kuiken's training -- as both a physician and an engineer -- helps him see both sides of this complex problem. A technology called targeted muscle reinnervation uses nerves remaining after an amputation to control an artificial limb, linking brain impulses to a computer in the prosthesis that directs motors to move the limb. An unexpected effect in some patients: not only can they move their new limb, they can feel with it.
He said: "From an engineering standpoint, this is the greatest challenge one can imagine: trying to restore the most incredible machine in the universe."
Todd Kuiken | Speaker | TED.com