Tutkijat kouluttavat muovia kävelemään valon avulla

Suomalaiset tutkijat kehittävät ja “kouluttavat” muovinpalasia tottelemaan valoa. Tämä on ensimmäinen kerta, kun syntyy aktuaattori, joka pystyy “opettelemaan” uuden toiminnon, tässä tapauksessa kävelemisen, sen aiempien kokemusten perusteella eikä tietokoneohjelmoinnin avulla.

Tässä projektissa käytetyt muovit valmistetaan termoherkkästä nestekidepolymeeriverkosta ja värjätyistä pinnoitteista. Ne ovat pehmeitä aktuaattoreita, jotka pystyvät muuttamaan energian mekaaniseksi liikkeeksi. Aluksi aktuaattori vastasi vain lämpöön, mutta tämä muuttuu, kun valoa voidaan yhdistää lämpöön. Tämän ansiosta muovi pystyy reagoimaan valoon. Aktuaattori on joustava ja taipuu samalla tavoin kuin ihminen taipuu etusormeaan. Kun aktuaattorille heijastetaan valoa ja se lämpenee, se “kävelee” tuhatjalkaisen tavoin ja liikkuu nopeudella 1 mm/s, eli samalla tahdilla kuin etana.

Arri Priimägi on Tampereen yliopiston vanhempi tekijä.

“Tutkimuksessamme kysymme, voiko eloton materiaali jollain tavoin oppia hyvin yksinkertaisessa mielessä”, hän sanoo. “Kollegani, professori Olli Ikkala Aalto-yliopistosta, asetti kysymyksen: Voivatko materiaalit oppia, ja mitä se merkitsee, jos materiaalit oppisivat? Liityimme yhteen tässä tutkimuksessa luomaan roboteja, jotka oppisivat uusia temppuja.”

Muita tutkimusryhmän jäseniä ovat postdoc-tutkijat Hao Zeng Tampereen yliopistosta ja Hang Zhang Aalto-yliopistosta.

On myös ehdotusprosessi, jossa valoa yhdistetään lämpöön, ja se sisältää värjätyistä pintakerroksista aktuaattorin läpi. Tämä aiheuttaa muutoksen, jossa aktuaattori muuttuu siniseksi. Valon absorbtiokyky lisääntyy, ja fototerminen vaikutus lisääntyy myös. Aktuaattorin lämpötila nousee, ja se taipuu säteilyn vaikutuksesta.

Priimägin mukaan tiimi sai inspiraation toisesta tunnetusta kokeesta.

“Tämä tutkimus, jonka teimme, oli inspiroitu Pavlovin koirakokeesta”, sanoo Priimägi.

Tässä kuuluisassa kokeessa koira sylki ruoan nähdessään, ja Pavlov soitti kelloa ennen ruoan antamista. Tämä toistettiin muutaman kerran, ja koira yhdisti ruoan kelloon ja alkoi sylkäistä kuullessaan kelloa.

“Jos ajattelemme järjestelmäämme, lämpö vastaa ruokaa, ja valo vastaa kelloa Pavlovin kokeessa.”

“Monet sanovat, että meidän täytyy mennä liian pitkälle tässä analogiassa”, sanoo Priimägi. “Jossain mielessä nämä ihmiset ovat oikein, koska verrattuna biologisiin järjestelmiin, tutkimamme materiaali on hyvin yksinkertainen ja rajoitettu. Mutta oikein olosuhteissa analogia pitää.”

Tiimi aikoo nyt lisätä järjestelmien monimutkaisuutta ja ohjattavuutta, mikä auttaa löytämään joitain rajoja, jotka voidaan piirtää biologisiin järjestelmiin.

“Pyrimme asettamaan kysymyksiä, jotka ehkä antavat meille mahdollisuuden tarkastella elottomia materiaaleja uudesta näkökulmasta.”

Järjestelmät pystyvät tekemään enemmän kuin vain kävellä. Ne pystyvät “tunnistamaan” ja reagoimaan eri aallonpituuksiin, jotka vastaavat värjätyistä pintakerroksista. Tämän ansiosta materiaali muuttuu säädettäväksi pehmeäksi mikrorobotiksi, jota voidaan ohjata etäältä, mikä on erittäin hyödyllistä biolääketieteellisissä sovelluksissa.

“Mielestäni siinä on paljon mielenkiintoisia puolia. Nämä etäohjattavat nestekideverkostot käyttäytyvät pienten keinotekoisten lihasten tavoin”, sanoo Priimägi. “Toivon ja uskon, että niillä on monia tapoja, joilla ne voivat hyödyttää biolääketieteellistä alaa, muun muassa fotonisia sovelluksia tulevaisuudessa.”