Miten opettaa materiaalia kuin Pavlovin koiraa – sovelluksia pehmeään robotiikkaan? Materiaalitutkimuksesta apua kriisialueelle?

Materiaalitutkijat ovat aina halunneet tehdä yhä toiminnallisempia materiaaleja ja saada niihin uusia ominaisuuksia. Mutta voisiko ”elottoman” materiaalin saada käyttäytymään ikään kuin se oppisi ärsykkeistä? Tähän haasteeseen tarttui Aallon polymeerifysiikan ja molekulaaristen nanorakenteiden professori Olli Ikkala yhteistyössä Tampereen yliopiston toiminnallisten materiaalien professorin Arri Priimägin kanssa. Tällaista opetettua materiaalia voitaisiin käyttää mm. pehmeässä robotiikassa. Jos mekaaninen robotti tarttuu kourineen pehmeään orgaaniseen näytteeseen, niin se voi musertua. Mutta Ikkalan ja Priimägin yhteistyö saattaa johtaa uudenlaiseen robotiikkaan. Esikuvana heillä on työssään mustekalan lonkerot. Niissä ei ole niveliä, ja ne pystyvät tarttumaan monenlaisiin asioihin. Aivan alkuun Olli Ikkala tutki oppimisen luonnetta – voisiko ehdollistumista, tottumista ja herkistymistä soveltaa materiaaleihin. Yksi tutkimuksen innoittaja oli sadan vuoden takaa Ivan Pavlovin koirakoe, jossa ehdollistumisen jälkeen neutraali ärsyke sai aikaan syljen erittymisen koiralta, vaikka se ei nähnyt ruokaa. Ensimmäiseksi kehitettäväksi materiaaliksi määräytyi hydrogeeli, joka oppi reagoimaan uuteen ärsykkeeseen. Pavlovin koirakokeen luontaista ärsykettä, ruoan näyttämistä, vastasi lämmitys ja neutraalia ärsykettä, kellon soittamista, taas geelin valaisu. Jotta materiaali voisi oppia, se tarvitsee muistin. Ehdollistuminen ja siihen kuuluva muistaminen tapahtuukin kultananopartikkeleiden välityksellä. Geelin lämmitys ja valaisu yhtäaikaisesti saavat nanopartikkelit järjestäytymään ketjuiksi, jotka muistavat sulatuksen. Kun oppiminen on tapahtunut ja geeliä pelkästään valaistaan, niin ketjut lämpenevät ja geeli sulaakin ilman lämmitystä. Tämän jälkeen tutkijat kehittivät nestekidemateriaalin, joka aluksi osasi tarttua esineisiin tai kulkemaan aluksi vain lämpötilan avulla, mutta joka sitten oppi reagoimaan vastaavasti valon avulla. Video liittyy juuri edelliseen. Materiaalitutkimuksesta apua kriisialueiden terveydenhoitoon Puusta saatava nanoselluloosa on erinomainen lähtöaine materiaalitutkimuksessa. Nanoselluloosapohjaisia materiaaleja käytetään paljon lääketutkimuksessa ja ensimmäisiä sovelluksia on siitä tehty haavanhoitovalmiste palovammapotilailla. Tuorein tutkimus on nanoselluloosan kylmäkuivaus. Aineksesta poistetaan vesi kokonaan kylmäkuivauksella. Yliperttulan ryhmä tutkii, kuinka erilaiset solut kestävät kylmäkuivauksen nanoselluloosan sisällä. Alustavat tulokset ovat lupaavia. Tarkoituksena on saada erilaiset verituotteiden solut kestämään kuivaus, säilytys ja edelleen palautumaan ennalleen ja käytettäväksi kylmäkuivauksen jälkeen. Tällaisesta menetelmästä olisi valtava etu veren kuljettamisessa kriisialueille. Aivan samalla tavalla biopankkinäytteet voitaisiin säilyttää pienemmässä tilassa ja halvemmalla, kun kalliita typpitankkeja ei enää tarvittaisi. Helsingin yliopiston biofarmasian professori Marjo Yliperttula on tutkinut nanoselluloosaa pitkään. Hänellä on kymmenkunta patenttia ko. tutkimuksesta. Toimittaja on Teija Peltoniemi.