Uutiset

Tutkijat loivat itsesäätyvän materiaalin mimosan ja kärpäsloukkukasvin innoittamina

Tutkijat jäljittelivät uudessa materiaalissa eläville materiaaleille tyypillistä itsesäätyvää reagointijärjestelmää. Tutkimuksesta on hyötyä esimerkiksi tulevaisuuden robottien kehittämisessä.
Feedback controlled hydrogels. Picture: Ikkala lab / Aalto University and Priimägi lab / Tampere University
Laservalon, geelien ja peilin muodostava järjestelmä luo yhdessä palautejärjestelmän, joka pitää ensimmäisen geelin tietyssä lämpötilassa. Kuva: Olli Ikkalan (Aalto-yliopisto) ja Arri Priimäen (Tampereen yliopisto) tutkimusryhmät.

Biologiset organismit pitävät yllä dynaamista itsesäätyvää tasapainotilaa eli homeostaasia ja reagoivat herkästi ympäristönsä muutoksiin selviytyäkseen. Organismi voi esimerkiksi reagoida kosketukseen tai valoon.

Keinotekoiset materiaalit eivät tyypillisesti ole samalla lailla itsesäätyviä ja herkästi reagoivia.

Nyt Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet kehittämään homeostaattisen järjestelmän, joka reagoi ympäristön muutoksiin dynaamisesti samaan tapaan kuin elävät organismit. Saavutus voi mahdollistaa uudenlaisia älykkäitä materiaaleja ja interaktiivista pehmeää robotiikkaa. Pehmeä robotiikka jäljittelee mahdollisimman paljon eläviä organismeja ja pyrkii toimimaan samalla tavoin joustavasti tehtävien suorittamisessa.

Tulokset on julkaistu tänään klo 18 Nature Nanotechnology -lehdessä.

Tutkijat lähtivät liikkeelle luonnon yksinkertaisemmista ilmiöistä, kertoo Aalto-yliopiston professori Olli Ikkala.

”Mekaaninen kosketus saa biologisissa kudoksissa aikaan muutoksia, jotka käynnistävät erilaisia mekanismeja. Käytimme esimerkkeinä luonnon yksinkertaisia ilmiöitä, kuten mimosan lehtien meneminen suppuun kosketuksen johdosta tai kärpäsloukkukasvin äkillinen kiinni napsahtaminen hyönteisen kävellessä lehdellä. Kosketus vaikuttaa kasvin sensoreihin, jotka taas käynnistävät sähköiset ilmiöt kasvin sisällä.”

Homeostaattinen järjestelmä koostuu laservalosta, geeleistä ja peilistä

Tutkijoiden luoma materiaaliyhdistelmä koostuu kahdesta rinnakkaisesta geelistä, joilla on toisistaan poikkeavat ominaisuudet, kertoo akatemiatutkija Hang Zhang Aalto-yliopistosta.

”Biologiset kudokset ovat tyypillisesti pehmeää, joustavaa ja muovautuvaa, kuten myös tässä tutkimuksessa käytetyt geelit. Geeleissä on polymeereja eli muoveja, jotka on turvotettu vedessä. Niiden avulla voi saada aikaan mielenkiintoisia reagointeja ympäristön ärsykkeisiin”, Zhang selittää.

Homeostaattinen järjestelmä koostuu kahden geelin lisäksi peilistä ja laservalosta. Kokeessa tutkijat suuntasivat laservalon ensin ensimmäisen geelin läpi, minkä jälkeen se heijastui peilistä toiseen, lämmittäen samalla toisessa geelissä olevia kultananohiukkasia. Nämä hiukkaset alkoivat johtaa lämpöä ensimmäiseen geeliin. Kun ensimmäinen geeli oli riittävän lämmin, se muuttui ei-läpinäkyväksi. Näin valo ei päässytkään enää sen läpi peiliin, vaan heijastui takaisin. Tällöin kultananohiukkaset – ja samalla koko järjestelmä – alkoi jäähtyä. Ensimmäinen geeli tuli uudelleen läpinäkyväksi, jolloin laservalo pystyi taas läpäisemään sen ja lämmitysprosessi alkoi alusta.

Laservalon, geelien ja peilin muodostava järjestelmä luo siis yhdessä palautejärjestelmän, joka pitää ensimmäisen geelin tietyssä lämpötilassa riippumatta ulkoisista häiriötekijöistä. Lämpötila oli kokeessa lähellä 36 astetta eli ihmiskehon lämpötilaa, vaikka lasertehoja ja jäähdytystapoja kokeessa muutettiinkin.

Homeostaattinen järjestelmä on siis samalla tapaa dynaaminen ja itsesäätyvä kuin biologiset järjestelmät, kiteyttää Tampereen yliopiston akatemiatutkija Hao Zeng.

”Lämpötila oskilloi eli heiluu raja-arvon ympärillä, mutta heiluminen on melko pientä, eikä se reagoi juurikaan ympäristön häiriötekijöihin. Siksi voimme kutsua systeemiä homeostaattiseksi.”

Mekaanista ärsytystä ja jännityksen laukeamista

Tutkijat loivat kokeen jälkeen vielä kolme erilaista tutkimusasetelmaa. Ensimmäisessä he osoittivat, että mekaanisella kosketuksella voidaan saada aikaan reagointi, joka muistuttaa mimosan lehtien suppuun menemistä. Tutkijat tekivät kokeessa keinotekoisen ”lehden” nestekidemateriaalista. He onnistuivat säätämään järjestelmää niin, että mekaaninen kosketusenergia muuttui lämpöenergiaksi, ja lämpötilan noustessa ”lehti” taipui. Siihen kului aikaa muutama sekunti, jonka jälkeen järjestelmä toipui ennalleen, jolloin sama voitiin toistaa uudelleen. Tämä ominaisuus on tärkeää esimerkiksi pehmeän robotiikan tartuntaelimissä.

Toisessa kokeessa tutkijat osoittivat, että kun geelisysteemiä kosketetaan sopivalla taajuudella, voidaan äkillisesti vapauttaa energiaa, kuten kärpäsloukkukasvissa. Tutkijat liimasivat geeliin esijännitetyn polymeerikappaleen liimalla, joka sulaa tietyssä lämpötilassa.  Kun lämpötila nousi riittävästi, liima suli ja jännitys laukesi hyvin nopeasti vapauttaen polymeerikappaleen.

Kolmanneksi tutkijat onnistuivat kuljettamaan valolla mikroskooppisen pientä lastia. Tutkijat laittoivat ”nestekidelehtiä” peräkkäin geelin päälle, ja valon aikaansaaman lämpötilan värähtelyn avulla voitiin kuljettaa lastia.

”Tulevaisuuden robotit tulevat perustumaan siihen, että materiaalit korjaavat itse itsensä takaisin tasapainotilaan sen jälkeen, kun ulkoinen ärsyke on pakottanut ne pois siitä. Valo on varteenotettava ulkoinen ärsyke, koska lasersäteellä voidaan kohdistaa valoa pitkänkin matkan päähän”, sanoo professori Arri Priimägi Tampereen yliopistosta.

Lisätietoa:

Artikkeli: Feedback controlled hydrogels with homeostatic oscillations and dissipative signal transduction, Hang Zhang, Hao Zeng, Amanda Eklund, Hongshuang Guo, Arri Priimagi, Olli Ikkala, julkaistu lehdessä Nature Nanotechnology              

Olli Ikkala

Aalto Distinguished Professor
Hang Zhang

Hang Zhang

Research Fellow

Lue lisää elävien järjestelmien inspiroimasta materiaalista:

Material that learns

Tutkijat loivat materiaalille magneettisen muistin – inspiraatio eläimillä esiintyvästä magneettiaistista, joka auttaa niitä suunnistamisessa

Elävien järjestelmien inspiroima materiaali mukautuu eli muuttaa käyttäytymistään aiemmin kohtaamiensa olosuhteiden perusteella. Tutkimus raivaa tietä muun muassa kohti tulevaisuuden pehmeää robotiikkaa.

Uutiset
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Joukko ihmisiä kävelee Lehmuskujaa pitkin kesällä
Tutkimus ja taide, Yliopisto Julkaistu:

Vahva kokonaistulos: Suomen Akatemialta 27,5 miljoonaa euroa tutkimukseen

Akatemiatutkija- ja akatemiahankerahoituksen sai yhteensä 52 aaltolaista. Aalto-yliopistolle myönnetty rahoitus on kokonaisuudessaan 27,5 miljoonaa euroa.
Aallon logo talon katolla
Nimitykset Julkaistu:

Neljä uutta professoria Insinööritieteiden korkeakouluun

Työelämäprofessorit Hannele Holttinen ja Teemu Manderbacka sekä apulaisprofessorit Mikko Suominen ja Risto Ojala nimitettiin professorien urapolulle tammi-kesäkuun 2024 aikana.
A logo. Photo: Mikko Raskinen
Nimitykset, Yhteistyö Julkaistu:

Kolme uutta professoria Sähkötekniikan korkeakouluun

Apulaisprofessorit Gopika Premsankar ja Johannes Arend sekä associate professori Marko Kosunen nimitettiin professorien urapolulle tammi-kesäkuun 2024 aikana.
Opiskelija Aallossa lukemassa kirjaa
Mediatiedotteet Julkaistu:

Aalto-yliopisto lisää toimenpiteitä päästöjen vähentämiseksi

Aalto-yliopisto on kartoittanut tärkeimpiä toimenpiteitä ilmastopäästöjen vähentämiseksi kaikilla yliopiston toiminnan alueilla. Suurimmat päästövähennykset saadaan energian hankinnasta ja käytöstä.