Buzz
Sau tai nạn leo núi năm 17 tuổi cướp đi niềm đam mê và sự tự do, Hugh Herr đã tìm ra một con đường mới cho bản thân: phát triển những chiếc chân giả đặc biệt để tiếp tục leo núi và đồng thời cải thiện cuộc sống cho hơn 1,5 triệu người khuyết tật tại Mỹ.Hugh Herr và biến cố thay đổi cuộc sống mãi mãi
Hugh Herr: Niềm đam mê leo núi và tai nạn định mệnh
Hugh Herr hiện là giám đốc một phòng thí nghiệm tại MIT, nơi nghiên cứu và phát triển các bộ phận cơ thể người để chúng có thể kết nối hoàn hảo với cơ thể tự nhiên. Sinh ra và lớn lên ở ngoại ô Lancaster, Pennsylvania, Herr đã có niềm đam mê leo núi từ khi còn nhỏ. Mỗi mùa hè, gia đình ông thường xuyên du lịch đến các vùng như Alaska hay Yukon bằng xe van để cắm trại. Những chuyến đi này là cơ hội để Herr thỏa mãn niềm đam mê leo núi.
Khi còn là một thiếu niên, Herr đã được coi là một tài năng leo núi. Ông dành rất nhiều thời gian để mơ về những tuyến đường khó khăn, lập kế hoạch và chinh phục chúng, với mục tiêu trở thành một người leo núi tự do (free-solo climber). Ông đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể, leo lên những nơi khó như Shawangunk Ridge, thậm chí leo những vách đá dốc đứng mà không cần dây bảo hiểm. Điều này không chỉ là thử thách cho khả năng bản thân, mà còn là cách để ông kiểm soát cơ thể mình một cách tối đa.
Hugh Herr, sau tai nạn leo núi khiến anh mất chân, đã dành cả cuộc đời tìm kiếm những giải pháp đột phá cho chân giả
Vào năm 1982, một tai nạn nghiêm trọng đã xảy ra khi Herr và người bạn của mình quyết định thử sức leo núi băng tại Huntington Ravine, thuộc dãy núi Trắng của New Hampshire. Mặc dù cả hai dễ dàng vượt qua chặng đường đầu tiên, nhưng họ đã quyết định mạo hiểm tiến xa hơn đến đỉnh núi Washington, nơi có điều kiện thời tiết khắc nghiệt và thường thay đổi đột ngột. Mỗi năm có khoảng 25 người phải được cứu hộ và hơn 100 người đã thiệt mạng tại đây. Gió mạnh lên đến gần 150km/h cùng tầm nhìn kém khiến cả hai bị lạc. Đôi chân của Herr liên tục bị lớp băng xuyên thủng và phải chịu đựng cái lạnh của dòng nước đóng băng trong suốt thời gian dài. Sau ba ngày, khi đã mất hết hy vọng, một thành viên trong đội cứu hộ đã tìm thấy họ.
Tai nạn này đã khiến Herr mất cả hai chân, từ đầu gối trở xuống, và phải sử dụng chân giả. Tuy nhiên, giải pháp này dường như không thể giúp anh tiếp tục theo đuổi đam mê leo núi. Mặc dù vậy, Herr đã tìm thấy một mục tiêu mới trong cuộc sống: phát triển những đôi chân giả tối ưu hơn.
Khám phá giải pháp cho việc leo núi
Sau tai nạn, Herr đã học gia công kim loại để cải tiến đôi chân giả của mình và vẫn cố gắng dành thời gian leo núi. Điều này giúp anh phục hồi một phần khả năng và đạt được những thành tựu nhất định, đồng thời kết nối với Jim Ewing, một người bạn cùng đam mê và sẽ đồng hành cùng anh trong sự nghiệp nghiên cứu sau này.
Mặc dù những đôi chân giả đã được cải tiến, chúng vẫn gây áp lực lớn lên cơ thể. Với quyết tâm tìm ra giải pháp tốt hơn, Herr đã nhận bằng thạc sĩ tại MIT và tiến sĩ tại Harvard, mở rộng nghiên cứu về thần kinh học và kỹ thuật cơ khí.
Hugh Herr (trái) tại phòng thí nghiệm M.I.T cùng với chiếc tay giả thử nghiệm
Tại M.I.T, Herr thành lập Nhóm Biomechatronics, kết hợp nghiên cứu thần kinh học và kỹ thuật cơ khí để phục hồi khả năng di chuyển cho những người bị suy giảm chức năng. Sau đó, anh trở thành giám đốc Trung tâm Bionics K. Lisa Yang và phát triển đôi chân giả BiOM, với một mắt cá chân và bàn chân robot, sử dụng ba vi xử lý và sáu cảm biến điều chỉnh theo dáng đi của người dùng. Những thành tựu này đã khiến Herr được tạp chí Time vinh danh là “Nhà lãnh đạo của Kỷ nguyên Bionic” vào năm 2011.
Sự phức tạp trong việc di chuyển của con người
Con người có khả năng di chuyển một cách tự nhiên mà không cần phải suy nghĩ nhiều. Từ khi còn nhỏ, chúng ta đã biết cách phối hợp các cơ để di chuyển mà không cần sự hướng dẫn. Bộ não của chúng ta được lập trình để tự điều khiển các hoạt động, trong khi cơ thể vẫn thực hiện mọi chuyển động một cách hoàn hảo mà không cần phải nghĩ ngợi. Khi cần thay đổi tốc độ, não chỉ cần gửi thông điệp như “chạy nhanh” hoặc “chậm lại” và cơ thể tự động đáp ứng một cách chính xác.Lịch sử và những thách thức của việc ghép chi
Thời gian chính xác mà con người bắt đầu thực hiện việc cắt chi và ghép chi giả vẫn chưa được xác định rõ. Các nhà khảo cổ học đã phát hiện ra một chiếc chân giả bằng gỗ bạch dương, với đầu bàn chân là móng ngựa, được tìm thấy trong một ngôi mộ cách đây hai nghìn năm ở Trung Quốc, dọc theo Con đường Tơ lụa. Ngoài ra, một tướng quân La Mã được cho là đã sử dụng một bàn tay sắt để cầm khiên. Vào thế kỷ XVI, bác sĩ Ambroise Paré trong quân đội Pháp đã phát minh ra một chiếc chân kim loại có khớp gối có thể uốn cong khi di chuyển và khóa lại khi đứng. Ông cũng phát triển các phương pháp phẫu thuật sáng tạo để bảo tồn da và cơ khi thực hiện cắt cụt.Mặc dù chân giả đã được cải tiến qua các thời kỳ, nhưng những đột phá thật sự vẫn chưa xảy ra. Một trong những thách thức lớn nhất đối với những người cần ghép chi, đặc biệt là các binh sĩ, là làm sao để họ có thể sống thoải mái sau phẫu thuật. Trong cuộc Nội chiến Mỹ, một thống kê cho thấy số lượng binh lính chết do nhiễm trùng sau phẫu thuật cắt chi nhiều hơn số người chết vì pháo binh. Điều thú vị là trong thời gian này đã xuất hiện những quảng cáo về các dịch vụ cắt chi, hứa hẹn sẽ thực hiện phẫu thuật nhẹ nhàng và sạch sẽ nhất có thể. Với những người phải cắt cụt chi, cải tiến lớn nhất không phải là chân giả tốt hơn mà chính là quy trình phẫu thuật được thực hiện hiện đại và an toàn hơn.
Phẫu thuật cắt chi thường gây ảnh hưởng đến tín hiệu từ não đến các chi đã mất
Đến nay, phẫu thuật cắt chi vẫn được xem là một lĩnh vực bị bỏ ngỏ trong y học. Một cuốn sách giáo khoa từ thời Nội Chiến mô tả các kỹ thuật cắt cụt gần như không có sự thay đổi so với hơn 200 năm trước. Các bác sĩ phẫu thuật khi không thể cứu vãn được chi thường coi đây là một thất bại, dẫn đến việc ít chú trọng đến công tác hậu phẫu. Do đó, bệnh nhân sau phẫu thuật dễ gặp phải các biến chứng như teo cơ, viêm khớp, đau mãn tính hoặc nhiễm trùng.
Một vấn đề lớn khác là hiện tượng phantom-limb (chi ma), khi những người bị mất chi vẫn cảm nhận được phần chi đã mất như còn tồn tại. Cảm giác này có thể khiến họ cảm thấy ngứa ngáy, co thắt cơ hoặc thậm chí đau đớn dữ dội, do tín hiệu thần kinh từ não và tủy sống tiếp tục gửi đến phần chi đã mất. Một số bệnh nhân mô tả cảm giác chi như bị “mắc kẹt” trong một tư thế đau đớn, không thể thay đổi được. Hiện tượng này không chỉ là một rào cản tâm lý mà còn gây đau đớn kéo dài, ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng cuộc sống của họ sau phẫu thuật.
Xu hướng mới trong việc ghép chi
Những khó khăn như vậy chính là động lực để các nhà nghiên cứu như Hugh Herr và bác sĩ Matthew Carty tìm ra những giải pháp mới, nhằm kết nối chặt chẽ hơn giữa chi giả và cơ thể người. Giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu đau đớn mà còn mang lại cho bệnh nhân khả năng cảm nhận và điều khiển chi giả như thể nó là một phần cơ thể của chính họ.Hugh Herr và đôi chân robot điều khiển qua não bộ
Nhóm nghiên cứu của Hugh Herr đang phát triển một loại chân giả tiên tiến, có thể điều khiển bằng tín hiệu não bộ. Chân giả này sử dụng các vi xử lý, nhận tín hiệu từ não thông qua các điện cực gắn trên da, kết nối với hệ thống dây dẫn bên ngoài. Đã có hơn một trăm người tham gia thử nghiệm, trong đó có ít nhất hai mươi người từ M.I.T. Hầu hết người thử nghiệm đều khẳng định rằng công nghệ này giúp họ lấy lại sự kiểm soát bản thân, chỉ cần suy nghĩ và các ngón chân bằng sợi carbon sẽ tự động co lại theo ý muốn. Một yếu tố quan trọng là phẫu thuật cắt chi phải bảo tồn khả năng co giãn của các cơ trên cơ thể để đạt hiệu quả tối đa.
Các mô hình chân giả mà Hugh Herr và nhóm nghiên cứu phát triển
Khi được gắn vào cơ thể, các thiết kế chân giả này cho phép người sử dụng di chuyển nhanh chóng và tự nhiên, gần như không khác gì người bình thường. Đối với Herr, đây là một thành tựu vượt xa kỳ vọng, một giấc mơ đã hình thành từ khi anh mất đôi chân sau tai nạn leo núi. Mặc dù những đôi chân giả này vẫn đang được thử nghiệm và nghiên cứu thêm, trước khi được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (F.D.A.) cấp phép, chúng đã chứng minh được sự khả thi vượt trội của mình.
Ngoài Herr, nhiều phòng thí nghiệm khác cũng phát triển tay giả và chân giả điều khiển bằng thần kinh. Ví dụ tiêu biểu là Utah Bionic Leg, một sản phẩm được Đại học Utah, dưới sự dẫn dắt của Tommaso Lenzi, phát triển. Tuy nhiên, điểm khác biệt lớn nhất giữa đôi chân giả của M.I.T. và các sản phẩm khác là nó được điều khiển hoàn toàn bằng thần kinh. Thành tựu này không chỉ liên quan đến vi xử lý, titan hay sợi carbon, mà còn yêu cầu sử dụng các vật liệu gần gũi với cơ thể người như cơ, gân và xương.
Tuy nhiên, để các chân giả điều khiển bằng não bộ của Herr trở thành hiện thực, vẫn cần một yếu tố quan trọng không thể thiếu: phẫu thuật cắt chi và gắn kết chi giả vào cơ thể.
Bác sĩ Matthew Carty và vai trò quan trọng trong phẫu thuật cắt cụt
Matthew Carty là một chuyên gia vi phẫu, chuyên thực hiện các ca phẫu thuật cực kỳ tinh vi, bao gồm cả việc nối lại các mạch máu có đường kính nhỏ hơn một milimét. Trong những năm đầu của sự nghiệp, ông không khỏi lo ngại về thực trạng của các ca phẫu thuật cắt cụt chi, dù đã có sự tiến bộ về kỹ thuật. Ông cho biết rằng trong các cuộc phẫu thuật, các bác sĩ thường cố gắng khâu lại các cơ còn lại của phần chi bị cắt. Mục đích là để bảo vệ xương, nhưng điều này lại tạo ra một hạn chế nghiêm trọng đối với khả năng chuyển động của cơ, dẫn đến hiện tượng teo cơ. Những bệnh nhân bị cắt cụt chi thường cảm giác như chân của họ vẫn còn, nhưng lại bị kẹt trong một ống cứng và các chuyển động của chân giả không còn đồng bộ với những gì mà não bộ họ tưởng tượng. Carty bắt đầu nghĩ đến một ý tưởng lớn hơn: liệu có thể tái sử dụng các cơ, dây thần kinh, mạch máu và xương trong quá trình cắt cụt giống như cách các bác sĩ phẫu thuật tạo hình tái sử dụng “vật liệu” trong các quy trình khác để tái tạo các bộ phận không?
Giải pháp phẫu thuật cắt cụt để kết nối chân giả điều khiển bằng não
Carty và Herr hợp tác để phát triển một giải pháp cấy ghép chân, với mục tiêu cắt cụt chi một cách hợp lý để kết nối với những đôi chân giả tiên tiến mà nhóm Herr đã nghiên cứu. Cả hai bắt đầu thảo luận về việc phẫu thuật cắt cụt sao cho phần chi còn lại có thể được tái cấu trúc, tạo sự liên kết tự nhiên với chân giả và duy trì chức năng cơ bắp. Họ tập trung vào việc kết nối các cơ đối kháng và cơ chủ động. Ví dụ, khi khuỷu tay gập lại, cơ bắp tay (agonist) co lại trong khi cơ tam đầu (antagonist) giãn ra. Tương tự, khi đi bộ, cơ bắp chân (gastrocnemius) co lại, trong khi cơ xung quanh xương ống chân (tibialis anterior) giãn ra, giúp điều khiển chuyển động của bàn chân.
Jim Ewing (bên phải) cùng Hugh Herr (thứ hai từ trái qua) với chân giả
Nhóm nghiên cứu đã dành một năm để phát triển phương pháp khâu các cơ chủ động và cơ đối kháng bằng gân, với mục đích tạo ra chuyển động mượt mà thông qua ròng rọc bằng titanium gắn trên xương. Tuy nhiên, phương pháp này không đạt hiệu quả như mong đợi. Họ thử nghiệm trên động vật, nhưng các cơ bị sẹo và không còn khả năng chuyển động. Thất bại này khiến họ nghi ngờ về việc titanium, một vật liệu không hoàn toàn thân thiện với cơ thể, có thể là nguyên nhân chính. Sau đó, nhóm nghiên cứu sáng tạo ra một hệ thống ròng rọc mới từ khớp mắt cá chân, phần thường bị bỏ đi trong phẫu thuật cắt cụt truyền thống. Ý tưởng này nhận được phản hồi tích cực, nhưng thử nghiệm trên động vật không thể tiếp tục do không thể hiểu được cảm giác của chúng. Nhóm cần một tình nguyện viên khỏe mạnh, sẵn sàng thử nghiệm một phương pháp mới đầy thử thách.
Thực nghiệm và kết quả
Câu chuyện quay lại với Ewing, người bạn cũ của Herr. Ewing đã lập gia đình, có con và trở thành kỹ sư cơ khí, nhưng đam mê leo núi của anh không thay đổi. Vào năm 2014, trong một chuyến leo núi ở quần đảo Cayman cùng con gái, anh gặp một tai nạn nghiêm trọng. Bàn chân trái của anh bị tổn thương đến mức mỗi lần đặt áp lực lên đó là một cơn đau dữ dội. Anh đã thử tìm hiểu mọi phương pháp để phục hồi đôi chân và liên lạc với Herr để tìm giải pháp. Ewing đã đưa ra quyết định táo bạo là cắt cụt chi theo một phương pháp mới, trở thành người đầu tiên sử dụng hệ thống cơ thần kinh chủ động - đối kháng (agonist-antagonist myoneural interface - AMI). Trong quá trình chuẩn bị, anh đã thử kết nối trực tiếp với chân giả qua các cảm biến, và anh cảm nhận được rằng đôi chân giả như thể là một phần của cơ thể mình. Anh có thể cảm nhận đôi chân qua đầu gối. Dựa trên những cảm nhận của Ewing, nhóm nghiên cứu sẽ điều chỉnh tín hiệu phản hồi từ các cảm biến điện cơ (EMG). Clites, một thành viên trong nhóm, cho biết hệ thống này giúp người dùng không cần suy nghĩ, khi não và tủy sống sẽ tự động xử lý mọi thứ, và cảm biến chỉ có nhiệm vụ truyền tải tín hiệu. Điều quan trọng là phẫu thuật phải được thực hiện chính xác, các cảm biến kết nối hoàn hảo, để hệ thống hoạt động đúng như dự kiến.
Vào ngày 19 tháng 7 năm 2016, Ewing đã trải qua một cuộc phẫu thuật kéo dài hơn 5 giờ để cắt cụt chân, trong đó các bác sĩ đã tách mảng da để lộ ra cơ chân và cô lập tĩnh mạch saphenous cùng dây thần kinh để chuẩn bị kết nối với chân giả. Hai tuần sau, Ewing - lúc này chỉ còn một chân - không còn cảm thấy cơn đau mà đã có thể thực hiện một số động tác leo núi cơ bản. Anh cảm thấy tự do như chưa bao giờ có được trước đây. Sau đó, tại phòng thí nghiệm M.I.T, nhóm nghiên cứu xác nhận phương pháp cắt cụt mới đã giúp cơ chủ động và cơ đối kháng hoạt động tốt, và Ewing có thể kết nối với chân giả để hoàn thiện quy trình. Khoảnh khắc này là một bước đột phá khi nhóm nghiên cứu xác nhận quá trình đã thành công và bắt đầu theo dõi hoạt động của Ewing. Hai năm sau ca phẫu thuật, Ewing quay lại quần đảo Cayman, nơi anh từng gặp tai nạn, lần này với đôi chân giả được thiết kế đặc biệt cho nhiệm vụ này. Đứng dưới chân vách đá, anh chỉ cho Clites và Herr những cấu trúc đá vôi và độ cao của chúng. Sau đó, anh leo lên với tự do tối đa, trong khi Clites đứng dưới quan sát kết quả của thử nghiệm. Khi lên đến đỉnh, Ewing nhìn ra biển Caribbean xanh biếc và xác nhận rằng đôi chân giả hoạt động vượt xa mọi kỳ vọng của anh.
