Hyppää sisältöön

Muovinen robotti liikkuu valon avulla ilman koneistoa – suomalaistutkijat ehdollistivat elottoman aineen

Suomalaiset tutkijat ovat opettaneet muovin käyttäytymään haluamallaan tavalla. Mallia on otettu biologisista rakenteista, esimerkiksi lihansyöjäkasveista. Käytännön sovelluksiin vaikkapa lääketieteessä on matkaa kuitenkin vuosia.

Kuva: Nella Nuora / Yle

Kun vasaralla lyö sormeensa, on seuraavalla kerralla varovainen. Vasara + naula + sormi = mahdollinen kipu. Yhtälöä kutsutaan ehdollistamiseksi. Se on yksi oppimisen yksinkertaisimmista tavoista.

Kun Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston tutkijat alkoivat tutkia valoherkkiä materiaaleja, he ottivat mallia biologiasta.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

– Oppiminen on älyttömän monimutkainen prosessi. Siihen liittyy aina “sielu” tai tyytyväisyyden tavoitteleminen. Eihän sellaista voi tehdä elottomalla materiaalilla. Aiemmin ajateltiin, että oppiminen liittyy vain aivoihin ja hermoihin, mutta viime aikoina on tajuttu, että kasveillakin on eräänlaisia oppimisprosesseja, sanoo professori Olli Ikkala Aalto-yliopistosta.

Tunnetuin esimerkki ehdollistamisesta on Pavlovin koirakoe. Venäläistutkija Ivan Pavlov ehdollisti koiran erittämään sylkeä pelkällä kellon soitolla. Koiralle annettiin aluksi ruokaa ja soitettiin samanaikaisesti kelloa. Koira ehdollistui kahden ärsykkeen yhteisvaikutuksesta niin, että jatkossa pelkkä kellonsoitto tuotti sille vahvan odotuksen ruuasta. Pavlov sai lääketieteen Nobel-palkinnon 1904.

Saman Nobelin 96 vuotta myöhemmin saanut Eric Kandel antoi Ikkalalle käännekohdan. Kandel oli löytänyt Välimeressä eläviltä kotiloilta hyvin yksinkertaisia oppimisprosesseja, myös ehdollistamisen.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

Materiaalien ominaisuuksia voidaan säätää lämpötilalla tai valolla. Tutkijaryhmä oli saanut jo muovisen madon liikkeelle valo- tai lämpöpulsseilla.

– Rupesin pohtimaan, että vaikka materiaalilla ei olisi hermoverkkoa, aivoja eikä biologisia elimiä, niin pystyisikö myös sitä ehdollistamaan. Eli saisiko kuolleen materiaalin opetettua käyttäytymään halutulla tavalla, jonkun yksinkertaisen ärsykkeen avulla, sanoo Olli Ikkala.

Jotta oppi pysyy, tarvitaan muisti

Tutkijoiden valorobotissaan käyttämää muovimateriaalia ei ole kaupan hyllyllä, vaan se täytyy suunnitella ja valmistaa itse. Valorobotti on pehmeä robotti (engl. soft robot), joka on tehty metallin sijaan polymeereistä eli muovista.

Jotta kuollut materiaali voisi oppia jotakin, sille pitää ensin luoda muisti. Yksinkertaistettuna muovimateriaaliin lisätään valoherkkää väriainetta. Kun materiaalia lämmitetään, väriaine kulkeutuu materiaalin sisään, jolloin sen väri muuttuu ja siitä tulee materiaalin muisti.

Tutkijoiden muovimato liikkui siis aluksi lämmön avulla eikä se reagoinut valoon.

Muovimatoa alettiin opettaa. Materiaalia lämmitettiin ja valaistiin samaan aikaan sinisellä tai punaisella valolla. Ehdollistamisen jälkeen valo imeytyy tasaisesti materiaalin sisälle levinneisiin väriainemolekyyleihin ja ne lämmittävät materiaalia pelkän valon vaikutuksesta.

Mato lähtee liikkeelle kontrolloitujen jännitysten avulla. Mato pyrkii valon vaikutuksesta laajentumaan alapinnalta ja supistumaan yläpinnalta. Kun mato taipuu monta kertaa peräkkäin, muovin kappale liikkuu mittarimadon tapaan.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

– Hienostuneempi mekanismi on niin kutsuttu valokemiallinen aktuaatio. Siinä materiaalin yksittäiset molekyylit muuttavat muotoaan. Ne toimivat miljardeina saranoina materiaalissa. Kun ne taipuvat, koko materiaali lähtee taipumaan, sanoo professori Arri Priimägi Tampereen yliopistosta.

Onko muovimato yhtä älykäs kuin kärpäsloukku?

Tutkijat ottivat mallia muovin ehdollistamiseen biologiasta. Myös kärpäsloukkukasvi on ollut inspiraation lähteenä. Kun kärpänen lentää avoinna olevaan loukkukasviin, se aiheuttaa ärsykkeen loukun pinnalla oleviin värekarvoihin. Samaan kohtaan kaksi kertaa riittävän lyhyessä ajassa osuva ärsyke saa loukun sulkeutumaan.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

– Se on tavallaan älykäs, koska se reagoi vasta kahteen peräkkäiseen ärsykkeeseen. Kasvi erottaa, putoaako sen päälle lehden palanen vai kärpänen. Se siis tunnistaa kohteita, sanoo Arri Priimägi.

Tutkijat halusivat matkia kärpäsloukkua ja tekivät valorobotin, joka sulkeutuu ympäristöstä tulevan ärsykkeen mukaan. Syntyi optinen kärpäsloukku, joka erottaa läpinäkyvän kappaleen valoa heijastavasta kappaleesta.

Onko valorobotti sitten älykäs?

Arri Priimägin mielestä älykkäällä materiaalilla on neljä ominaisuutta.

Millä tavoin materiaali havainnoi ympäristöään, kerääkö se palautetta esimerkiksi valo-olosuhteiden tai kosteuden muutoksesta?

Toiseksi, reagoiko se jotenkin keräämiinsä tietoihin, esimerkiksi liikkumalla tai muuttamalla väriään?

Kolmanneksi vaaditaan muisti.

Neljäs älykkyyden merkki on kommunikaatio.

Elävät organismit – ihminen mukaan lukien – koostuvat soluista, jotka koko ajan kommunikoivat toistensa kanssa. Materiaaleja ei saada vielä tällä tavalla kommunikoimaan.

– Ehkei materiaali siis ole vielä älykästä, arvioi Arri Priimägi.

Lääkeannostelija tai syövän tuhoaja

Mitä mittarimadon tapaan liikkuva muovinkappale voisi tulevaisuudessa tehdä?

Jos valorobotista kehitettäisiin nykyistä huomattavasti pienempi versio, se saattaisi matkailla ihmisen elimistössä magneettikenttien ohjaamana ja tuhoaisi syöpäsoluja tai annostelisi lääkettä esimerkiksi valon ohjaamana.

Valorobotin tulevaisuudesta ei vielä tiedetä ja sovellusideat saattavat syntyä varsinaisen tutkimusryhmän ulkopuolella. Kuva: Nella Nuora / Yle

Ihmiskehon sisäistä matkailua on nähty jo 60-luvulta lähtien tieteiselokuvissa. Ja kuvitelmaa se on edelleen.

Arri Priimägi tähdentää, että menee kymmeniä vuosia ennen kuin kehon sisäinen valorobotti toimii.

Tutkimushankkeiden tyypillinen rahoitussykli on neljä vuotta. Se on sekä perustutkimuksen että sovelluskehityksen näkökulmasta lyhyt aika.

– Valorobottien sovellukset eivät ensimmäisenä päädy ihmiskehon sisään. Enkä tiedä tapahtuuko se koskaan.

Valoroboteista voi myös kehittyä mikrokirurgisia työkaluja.

Elämää ei olisi ilman liikettä on ajatus, mikä Arri Priimägeä inspiroi luonnossa eniten. Kuva: Nella Nuora / Yle

Priimägi pitää tärkeänä, että tutkimusryhmä on tekemisissä myös muiden tutkijoiden kanssa. Sovellusideat voivat syntyä yhtä hyvin fyysikoiden, biotieteilijöiden tai materiaalitutkijoiden mielissä.

– Ideat voivat liittyä sellaiseen, mitä oman ryhmän sisällä ei ikinä keksittäisi, sanoo Arri Priimägi.

Valorobotin pienentäminen on vaikeaa

Valorobotin skaalaaminen pienempään kokoon ei ole helppoa. Pienentäminen vaatii suuremman laitteiston kuin millä nykyisiä prototyyppejä on Tampereella tehty.

Tarvitaan lasereita, joilla materiaalien pintoja kuvioidaan ja kovetetaan hyvin paikallisesti, piste kerrallaan. Lasereita tarvitaan myös leikkaamaan hyvin pienikokoisia valorobotteja. Tällainen valorobotti olisi 100 mikrometriä pitkä, mikä vastaa noin kahden hiuksen paksuutta.

Osa artikkelin sisällöstä ei ole välttämättä saavutettavissa esimerkiksi ruudunlukuohjelmalla.

Tekniikka pienentämiseen on olemassa, mutta fysiikan lait pysyvät samoina oli robotti iso tai pieni.

– Robotti voi uida nesteessä tai kävellä pinnalla. Liikkeen tuottaminen on kuitenkin vaikeampaa silloin, kun robotti vain on sadan mikrometrin eikä muutaman millimetrin kokoinen, kiteyttää Arri Priimägi.

Nykykoossaan parin sentin kokoinen valorobotti osaa liikkua pöydällä. Tutkimusryhmän väitöskirjatutkija Zixuan Deng haluaisi seuraavaksi opettaa sen uimaan.

Katso tästä tv-insertti aiheesta: