Teksti Markus Lahikainen
Hämähäkin kutoma silkki tai väriään vaihtava kameleontti voivat toimia inspiraationa, kun mietitään, miten materiaalia voi opettaa reagoimaan ympäristöönsä. Tiedekirjeenvaihtajamme Markus Lahikainen on tutkijana mukana LIBER-huippuyksikön toiminnassa.
Tutkijat ovat suurten kysymysten äärellä. Mitä materiaalitutkija voi oppia eläviltä organismeilta uusia materiaaleja kehitettäessä? Voiko synteettinen materiaali oppia?
Näihin ja moniin muihin tutkijoita askarruttaviin kysymyksiin etsitään vastauksia LIBER-huippuyksikössä, joka kokoaa yhteen tutkijoita Aalto-yliopistosta, Tampereen yliopistosta ja VTT:ltä. Mukana on kaikkiaan kahdeksan tutkimusryhmää ja noin 120 tutkijaa – ilokseni olen mukana tässä ryhmässä.
Huippuyksikön tarkoituksena on kehittää materiaaleja, jotka voivat reagoida ympäristössä tapahtuviin muutoksiin elävien eliöiden tavoin. Inspiraatiota voidaan hakea esimerkiksi ympäristönsä mukaan väriään vaihtavasta kameleontista tai hämähäkin kutomasta silkistä, jonka proteiiniketjut ovat lujuudessaan vertaansa vailla.
Muovit omaavat ”muistin” ja voivat lämmön vaikutuksesta palautua alkuperäiseen muotoonsa.
Elollisten olentojen inspiroimat materiaalit voivat esimerkiksi muuttaa muotoaan tai väriään tai ne voivat korjata itseään vaurioiden jälkeen vastauksena lämpötilan, valon tai pH:n muutoksiin.
Tämä tekee niistä erittäin hyödyllisiä monenlaisissa sovelluksissa, esimerkiksi lääketieteessä, robotiikassa ja rakennustekniikassa.
Yksi esimerkki älykkäistä materiaaleista ovat ”muistin” omaavat polymeerit tai muovit, jotka voivat palautua alkuperäiseen muotoonsa esimerkiksi lämmön vaikutuksesta.
Tällaisia materiaaleja voidaan hyödyntää esimerkiksi lääketieteellisissä laitteissa, jotka voidaan asentaa kehoon pienikokoisina ja laajentaa sitten haluttuun kokoon.
Moni muistaa koulun psykologian tunnilta klassisen Pavlovin koirakokeen. Koiralle soitetaan kelloa, mutta äänelle ei saada mitään vastetta. Kun koiralle on ehdollistettu se, että kellon soittaminen tietää ruokaa, pelkkä kellon ääni saa kuolan valumaan.
Koe pystytään toistamaan synteettisen hydrogeelin kanssa, kun hyödynnetään valoaktiivisia kultananopartikkeleja. Geeliä ei saada sulamaan valon voimalla. Mutta kun se on ”opetettu” sulamaan lämmön ja valon yhteisvaikutuksella, pelkkä valo riittää vasteen aikaansaamiseksi.
Pavlovin koirakoe pystytään toistamaan synteettisen hydrogeelin kanssa.
Voimme esittää kysymyksen: onko materiaali siis oppinut sulamaan? Kysymys on osittain filosofinen, ja vastauksen antaminen on hankalaa.
Entä milloin materiaalin voi todella ajatella muuttuvan elolliseksi? Tähänkään kysymykseen ei ole olemassa yksiselitteistä vastausta. Elämän määritelmä on monimutkainen ja kiistanalainen aihe ja riippuu paljon siitä, kysytäänkö asiaa kemistiltä, biologilta, teologilta vai joltain muulta.
Yksi mahdollinen kriteeri elollisen määrittelyyn on itsenäinen lisääntyminen ja evoluutio. Toistaiseksi mikään synteettinen materiaali ei kykene näihin toimintoihin. Kuitenkin, kun materiaalit alkavat osoittaa kykyä oppia, mukautua ja korjata itseään, ne lähestyvät elollisuuden rajoja.
Elollisten olentojen inspiroimat materiaalit edustavat uutta rajapintaa materiaalitieteessä ja insinööritieteissä. Näiden materiaalien kehitys etenee nopeasti.
Tulevaisuudessa voimme nähdä materiaaleja, jotka eivät ole passiivisia komponentteja, vaan aktiivisia toimijoita, jotka voivat reagoida ja mukautua ympäristöönsä, ja jotka näin hämmentävät rajaa elävän ja elottoman välillä.
LIBER-huippuyksikössä pyritään luomaan dynaamisia ja pehmeitä hybridimateriaaleja, joilla on kyky oppia, mukautua tai reagoida ympäristöön.
On kiehtovaa olla kehittämässä ratkaisuja, jotka voivat vaikuttaa hyvinkin merkittävästi esimerkiksi ihmisten terveyteen tai turvallisuuteen.
Lue lisää:
