Uutiset

Tutkijat onnistuivat kouluttamaan materiaalia kuin Pavlovin koiraa

Psykologian behaviorismin konseptit tunkeutuvat materiaalitieteeseen.
Test tube made to look like Pavlolv's dog
Kuvat: Hang Zhang/Aalto-yliopisto ja Hao Zeng/Tampereen yliopisto.

Ivan Pavlovin kuuluisassa psykologian kokeessa koira saatiin erittämään sylkeä kelloa soittamalla. Nyt Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston materiaalitutkijat ovat tehneet Pavlovin innoittamana materiaalin, joka oppii reagoimaan uuteen ärsykkeeseen.

Tutkimuksessa merileväuutetta, vettä ja kultananopartikkeleita sisältävä kiinteä geeli saatiin sulamaan juoksevaksi värivalojen avulla, ilman suoraa lämmitystä.

Jos geeliä (harmaat viivat) valaistaan sulattamisen aikana sinisellä ja punaisella valolla, nanopartikkelit (keltaiset pallot) takertuvat yhteen ja muodostavat pieniä ketjuja. Geeli alkaa sulaa ilman lämmittämistä, pelkkien värivalojen vaikutuksesta.
Jos geeliä (harmaat viivat) valaistaan sulattamisen aikana sinisellä ja punaisella valolla, nanopartikkelit (keltaiset pallot) takertuvat yhteen ja muodostavat pieniä ketjuja. Geeli alkaa sulaa ilman lämmittämistä, pelkkien värivalojen vaikutuksesta.

”Tämä on täysin uutta, sillä kukaan muu ei valmista materiaaleja Pavlovin teoria mielessään. Meitä kiinnosti kokeilla, miten ehdollistuminen voisi toimia materiaalitieteessä”, sanoo tutkijatohtori Hang Zhang Aalto-yliopistosta.

Pavlov koulutti koiraa soittamalla kelloa joka kerta sitä ruokkiessaan. Koira oppi ensin yhdistämään kellonsoiton ruokaan ja sitten kuolaamaan heti kellonsoiton kuullessaan – vaikkei haistanut tai nähnyt syötävää. Tutkimusryhmän kehittämä geeli noudattaa samaa logiikkaa, mutta ruokaa vastaa lämmittäminen ja kelloa värillinen valo.

Jos geeliä valaistaan punaisella ja sinisellä valolla, ei tapahdu mitään. Jos geeli sulatetaan, annetaan sen kovettua ja sitä valaistaan sen jälkeen punaisella ja sinisellä valolla, ei vieläkään tapahdu mitään. Mutta jos geeliä valaistaan sulattamisen aikana punaisella ja sinisellä valolla, geeli alkaa spontaanisti sulaa ilman lämmittämistä, pelkkien värivalojen vaikutuksesta.

A model "Pavlov dog" made from the gel
“Pavlovin koira” alkaa kuolata värivalojen vaikutuksesta, eli sula geeli alkaa virrata.

Salaisuus kultananopartikkeleissa

Geelin ehdollistuminen on erityisesti sen sisältäminen kultananopartikkeleiden ansiota. Valmistusprosessissa kultananopartikkelit sekoittuvat geeliin summittaisesti. Jos geeli sulatetaan ja kovetetaan uudelleen ilman, että siihen suunnataan valoa tietyllä aallonpituudella, nanopartikkelit pysyttelevät geelissä edelleen summittaisesti sijoittuneina. Mutta jos geeliä valaistaan sulattamisen aikana sopivalla sinisellä ja punaisella valolla, nanopartikkelit takertuvat yhteen ja muodostavat pieniä ketjuja. Kun geelin kultananopartikkelit ovat järjestäytyneet ketjuihin ja geeliä valaistaan sinisen ja punaisen valon sekoituksella, ketjut lämpenevät eri tavoin kuin yksittäiset nanopartikkelit ja geeli oppii sulamaan itsestään tällä valotuksella. Kultananopartikkelit toimivat täten ikään kuin muistina.

”Nyt tiedämme, että materiaali voidaan ehdollistaa reagoimaan uusiin ulkoisiin ärsykkeisiin, kun materiaalissa on muisti, johon voidaan vaikuttaa. Uskomme, että ehdollistaminen voidaan toteuttaa muillakin tavoilla käyttämällä eri materiaaleja, ja näin voimme saada erilaisia uusia ominaisuuksia”, Zhang lisää.

Tutkimusryhmässä oli Zhangin lisäksi Aalto-yliopiston professori Olli Ikkala, sekä tutkijatohtori Hao Zeng ja professori Arri Priimägi Tampereen yliopistosta. Tutkimus toteutettiin Suomen Akatemian Biosynteettisten hybridimateriaalien molekyylimuokkauksen huippuyksikössä (HYBER), yhteistyössä Tampereen yliopiston tutkijoiden kanssa. Hanke on rahoitettu Euroopan tiedeneuvoston (European Research Council) hankkeista DRIVEN ja PHOTOTUNES.

Lisätietoja:

Artikkeli Nature Communications –lehdessä

Olli Ikkala

Aalto Distinguished Professor
Hang Zhang

Hang Zhang

Research Fellow
  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Shankar Deka on sähkötekniikan ja automaation laitoksen apulaisprofessori.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Robotiikka tarvitsee turvallisia käyttäytymismalleja

Robotiikka ja autonomiset järjestelmät kehittyvät nopeasti. Algoritmit, jotka kestävät häiriöitä ja epävarmuustekijöitä järjestelmässä ja ympäristössä, ovat kehityksen kannalta kriittisiä.
kuva puhelimesta ihmisen kädessä
Mediatiedotteet Julkaistu:

Kuinka helpottaa tekstin näpyttelyä puhelimella? Tutkijat loivat ensi kertaa ihmisen tekstinsyöttöä simuloivan tekoälymallin

Malli auttaa ymmärtämään, mitkä tekijät sujuvoittavat ja mitkä puolestaan vaikeuttavat puhelimen näpyttelyä erilaisilla käyttäjäryhmillä.
Tundramaisema, jossa maassa yläosastaan avoimia tutkimuskammioita.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Tutkimus selvitti ilmastonmuutoksen vaikutusta tundralla: lämpeneminen voi lisätä hiilen vapautumista hälyttävästi

Ilman ja maaperän lämpeneminen sekä maaperän kuivuminen lisäsi hiilen vapautumista tundran ekosysteemistä.
People registration to SSD
Mediatiedotteet Julkaistu:

Vuoden suurimman kestävyystapahtuman ohjelma julkaistu - mukana muun muassa taloustieteilijä Kate Raworth ja presidentti Tarja Halonen

Aalto-yliopiston ja Helsingin yliopiston Sustainability Science Days -tapahtuma yhdistyy tänä vuonna maailman suurimman kestävyys- ja innovaatiokonferenssin kanssa. Tapahtumassa 2000 asiantuntijaa kokoontuu ratkaisemaan kestävyyshaasteita.