Bioinspiroituja värejä ja olosuhteisiin sopeutuvia materiaaleja – Professori Olli Ikkalan kolmas EU-hanke pohjaa eläviin systeemeihin

Teknillisen fysiikan professori Olli Ikkala on saanut kolmannen kerran Euroopan tutkimusneuvoston Advanced Grant -rahoituksen. Rahoituksen suuruus on 2,5 miljoonaa euroa, ja hanke kestää viisi vuotta.

Euroopan tutkimusneuvosto ERC myöntää Advanced Grant -apurahoja kokeneille ja erityisen ansioituneille tutkijoille poikkeuksellisten ja epätavanomaisten tieteellisten avausten tekoon. Ikkala on Aalto-yliopiston ensimmäinen kolmannen Advanced Grantin saaja, Suomessa toinen ja koko Euroopan mitassakin osa pientä joukkoa.

Ikkalan hankkeessa tutkitaan luonnon inspiroimia materiaaleja, joilla on yhä enemmän elävien systeemien ominaisuuksia.

”Arkipäiväisten materiaalien ominaisuudet pysyvät muuttumattomina eli ne ovat tasapainotilassa. Mutta elävät systeemit eivät ole tasapainossa ja siksi ne pystyvät sopeutumaan uusiin olosuhteisiin.”

Elävien systeemien tilaa ohjaa takaisinkytkentä eli homeostaasi. Ikkalan luotsaamassa hankkeessa kehitetään materiaaleja, jotka saatetaan ulkoisilla ärsykkeillä pois tasapainotilasta.

”Takaisinkytkennällä pidämme materiaalit halutussa tilassa ja säädämme niiden ominaisuuksia”, Ikkala sanoo.

Materiaaleissa takaisinkytkentä on vielä varsin huonosti tunnettu ja vaikea asia. Varsinaiset sovellusalueet ovat vielä Ikkalallekin kysymysmerkki.

”Voisin kuvitella, että ’autonomisia’ materiaaleja tarvitaan tulevaisuuden robotiikassa ja biolääketieteessä, kuten automaattisessa lääkeannostelussa. Erityisesti pehmeä robotiikka perustuu toiminnallisiin materiaaleihin, eikä nykyrobottien vipuihin ja niveliin. Olisi käänteentekevää, jos pehmeitä antureita ja pehmeää robotiikkaa voisi ohjata pienillä paristoilla isojen virtalähteiden sijaan.”

Sopeutuvia värejä

Useat hankkeessa käytettävät materiaalit ovat geelejä. Ne ovat vesipohjaisia, elastisia ja muovautuvia materiaaleja, joiden sisällä on polymeeriverkosto. Geelit vastaavat pehmeää kudosta elävissä olennoissa. Hankkeessa niihin liitetään nanosavea ja -selluloosaa, jotka kummatkin ovat luonnosta saatavia nanomateriaaleja.

”Jos nanosaven tai nanoselluloosan etäisyys geelissä vastaa valon aallonpituutta, saadaan syntymään kaikkia mahdollisia värejä valon heijastumisen kautta. Ulkoisilla ärsykkeillä väri ja valon heijastuvuus muuttuvat esimerkiksi venytyksessä, sähköisellä jännitteellä tai valolla.”

Väriaineteollisuus on nykyisellään saastuttavaa, ja EU on asettanut uusia rajoituksia perinteisille väriaineille. Yleensä väri perustuu valon absorboitumiseen pigmenteissä. Valon heijastumiseen liittyviä rakennevärejä kehitetään laajasti osana kestävän kehityksen tutkimusta. 

”Me yritämme päästä seuraavalle tasolle. Voisiko olla mahdollista, että rakennevärejä voisi tulevaisuudessa muuttaa esimerkiksi valon avulla? Voivatko värit sopeutua kuten biologiassa?”

Inspiraatiota myös musiikista

Nuorena Ikkala opiskeli myös urkujensoittoa. Häntä kiinnostaa erityisesti ranskalainen barokki, jota hän soittaa nytkin päivittäin. Hänelle läheisiä säveltäjiä ovat esimerkiksi Couperin, de Grigny, Clerambault ja Nivern.

”Musiikki luultavasti auttaa siihen, että mieli rauhoittuu ja oivallus tulee mieleen intuitiivisesti. Bachin musiikki on usein matemaattista. Se pitää soittaa tunteella, mutta se etenee kuin juna.”

”Ranskalainen barokki sen sijaan pitää soittaa elegantisti hyvällä maulla eli ”avec bon goût”. Sen löytämiseksi tarvitaan kulttuurin tuntemista – mutta sitä ei suoraan voi oppia oppikirjoista. Urkuopettajani taisi leikillään sanoa, että sopiva asenne tulkintaan on kuvitella aurinkokuningas pienessä aamuhiprakassa. Hän saattaa välillä ottaa pienen sivuaskeleen, mutta väkijoukko perässä pakottaa häntä etenemään. Ranskalainen barokkimusiikki siis huojahtaa hyvän maun puitteissa, ja se tekee siitä hyvin eleganttia ja elävää.”

Ikkalan edellisessä ERC-hankkeessa onnistuttiin valmistamaan materiaaleja, jotka osoittivat yksinkertaisia oppimisen muotoja. Hänen tutkimusryhmänsä on osa LIBER-huippuyksikköä, joka on erikoistunut laajemminkin materiaalien ja elävien systeemien yhdistämiseen sekä pehmeään robotiikkaan.

”Euroopan tutkimusneuvoston rahoitukset ovat olleet merkittäviä, koska ne ovat mahdollistaneet huipputason kansainväliset rekrytoinnit ja tärkeän yhteistyön, joka olisi muuten vaikeaa toteuttaa. Tämäkin hanke yhdistää osaamista Saksasta ja Ranskasta”, sanoo Ikkala.