Perhosen siivet liikkeelle valon voimalla – tutkijoiden kehittämät keinotekoiset lihakset saavat älykankaat mukautumaan muutoksiin ympäristössä

Aalto-yliopiston tutkimusryhmä on onnistunut liikuttamaan tekstiiliperhosen siipiin punottuja keinotekoisia lihaksia valon avulla. Mullistavassa tutkimuksessa valoa – tai tarkemmin infrapunalaseria – käytettiin polymeeriaktuaattorien ohjaamiseen. Polymeerejä muokkaamalla niistä saatiin luotua kierteelle käärittyjä säikeitä eli keinotekoisia lihaksia, jotka reagoivat valoon ja sen tuottamaan lämpöön. Valolla ohjattuna keinotekoiset lihakset saivat lopulta perhosen siivet lepattamaan.

Heinäkuussa Advanced Materials -julkaisussa ilmestyneen tutkimuksen pääkirjoittaja, väitöskirjatutkija Zahra Madani kertoo, että keinotekoiset lihakset voivat valolla ohjattuna taipua ja liikkua moniin eri suuntiin uskomattomalla nopeudella ja tarkkuudella. Aiemmista menetelmistä poiketen näiden keinotekoisten lihasten suunta ja liike ei myöskään ole riippuvaista materiaalin luonnollisista ominaisuuksista, vaan niitä voidaan ohjelmoida ja ohjata ulkoisesti valon avulla.

Madani työskentelee osana professori Jaana Vapaavuoren vetämää toiminnallisten materiaalien suunnitteluun erikoistunutta tutkimusryhmää. Myös Vapaavuori kertoo yllättyneensä siitä, miten paljon erilaisia liikekuvioita saatiin aikaiseksi yksinkertaisesti materiaalia ja valoa muuttelemalla.

Materiaalitieteilijöitä, fyysikkoja ja tekstiilisuunnittelijoita yhteen kokoava ryhmä on Madanin mukaan se syy, että keinotekoiset lihakset ylipäätään saatiin valolla liikkeelle: esimerkiksi ilman suunnittelijoita ei säikeitä kenties olisi kääritty kierteiseen muotoonsa. 

Sovelluskohteita niin vaatetuksessa kuin lääketieteessäkin

Tutkimuksen pääasiallisena tarkoituksena oli kehittää niin sanottuja älytekstiilejä, joilla on muitakin toiminnallisuuksia kuin vain suojan antaminen. Ryhmä pyrki kuitenkin samaan aikaan myös etsimään kestäviä ja ympäristöystävällisempiä materiaaleja näiden tulevaisuuden toiminnallisten tekstiilien kehitykseen. Esimerkiksi puhtaasti öljypohjaiselle nailonlangalle on pyritty löytämään korvaajaa luonnonmateriaaleista.

”Pohjimmiltaan tutkimukseni avaa ovia ympäristöönsä mukautuvalle ja reagoivalle uuden sukupolven teknologialle, joka voi tehdä meidän kaikkien elämästä turvallisempaa, helpompaa – ja myös mukavampaa”, Madani pohtii.

Sekä Madanin että Vapaavuoren mukaan tutkimustuloksella voidaankin ympäristöystävällisyyden lisäksi nähdä lukuisia lupaavia sovelluksia tulevaisuudessa, sillä kuten tulokset osoittavat, pelkän valon voimalla kyetään liikuttamaan isojakin tekstiilejä.

Madani mainitsee, että valolla ohjattavat keinolihakset voivat esimerkiksi mullistaa aktiivisten tekstiilien tai pehmeän robotiikan kehityksen. Hänen mukaansa voimme tulevaisuudessa vaikkapa nähdä vaatteita, jotka ulkoillessa sopeutuvat valon tai lämpötilan muutoksiin – esimerkiksi takkeja, jotka kiristyvät, kun on kylmä, ja löystyvät, kun on lämmin.

”Pehmeässä robotiikassa ympäristöön reagointi taas voi olla hyödyllistä juuri kaukaa ohjattavuuden takia – robottien ei siis tarvitse kantaa mukanaan mitään virtalähdettä, vaan energia tulee etänä valon avulla”, Vapaavuori jatkaa.

Lisäksi sovelluskohteena voisi tutkijoiden mukaan olla myös lääketiede, sillä materiaaleja voidaan ohjata infrapunasäteilyn eri aallonpituuksilla, jolloin ihon läpi etänä ohjattavat operaatiot olisivat mahdollisia. Jotta näihin tulevaisuuden sovelluksiin kuitenkin päästäisiin, pitäisi löytää soveltavaa tutkimusta rahoittava taho, tutkijat muistuttavat.

”Sinänsä kaikki tarvittava tieto tutkimustuloksen eteenpäinviemiseksi on jo olemassa. Seuraavaan askeleeseen tarvittaisiin jostain rahoitus, joka tukisi nimenomaan tällaista soveltavampaa tutkimusta”, Vapaavuori sanoo.

Tutkimus on julkaistu heinäkuussa Advanced Materials -julkaisussa ja se on luettavissa täällä: Light-Driven Multidirectional Bending in Artificial Muscles.

Tutkimuksessa käytetty perhonen sekä ryhmän muuta tutkimusta esitellään Aalto-yliopiston Designs for a Cooler Planet -festivaalin Yhteenkietoutumisia-näyttelyssä Otaniemen kampuksen Marsio-rakennuksessa 3. lokakuuta 2024 asti.