Itsesäätyvälle materiaalille mallia mimosalta ja kärpäsloukulta

Aalto-yliopiston ja Tampereen yliopiston tutkijat ovat onnistuneet kehittämään homeostaattisen järjestelmän, joka reagoi ympäristön muutoksiin samaan tapaan kuin elävät organismit.

Saavutus voi mahdollistaa uudenlaiset älykkäät materiaalit ja interaktiivisen pehmeän robotiikan. Pehmeä robotiikka pyrkii toimimaan tehtävien suorittajana yhtä joustavasti kuin elävät organismit.

”Mekaaninen kosketus saa biologisissa kudoksissa aikaan muutoksia, jotka käynnistävät erilaisia mekanismeja”, kuvailee professori Olli Ikkala Aalto-yliopistosta.

Tutkijat hyödynsivät esimerkkeinään luonnon yksinkertaisia ilmiöitä, jollaisia ovat mimosan lehtien meneminen suppuun kosketuksen johdosta tai kärpäsloukkukasvin napsahtaminen kiinni, kun sen lehdelle ilmestyy hyönteinen.

”Kosketus vaikuttaa kasvin sensoreihin, jotka käynnistävät sähköiset ilmiöt kasvin sisällä.”

Laservalo, peili ja kaksi geeliä

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

”Geeleissä on polymeereja, jotka on turvotettu vedessä. Niiden avulla voi saada aikaan mielenkiintoisia reagointeja ympäristön ärsykkeisiin.”

Geelien lisäksi järjestelmään kuuluu peili ja laservalo.

Kokeessa tutkijat suuntasivat laservalon ensin ensimmäisen geelin läpi, minkä jälkeen se heijastui peilistä toiseen ja lämmitti samalla toisen geelin sisältämiä kultananohiukkasia. Hiukkaset alkoivat johtaa lämpöä ensimmäiseen geeliin.

Kun ensimmäinen geeli oli riittävän lämmin, se muuttui läpinäkymättömäksi. Näin valo ei päässytkään enää sen läpi peiliin vaan heijastui takaisin.

Tällöin hiukkaset ja samalla koko järjestelmä alkoi jäähtyä. Ensimmäisestä geelistä tuli uudelleen läpinäkyvää, jolloin laservalo taas läpäisi sen, prosessi alkoi alusta.

Lämpötila oli kokeessa lähellä ihmiskehon lämpötilaa, vaikka lasertehoja ja jäähdytystapoja muutettiin.

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

”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.

Keinotekoinen ”lehti” oli tehty nestekidemateriaalista. Tutkijat onnistuivat säätämään järjestelmää niin, että mekaaninen kosketusenergia muuttui lämpöenergiaksi, ja lämpötilan noustessa lehti taipui.

Aikaa kului muutama sekunti, minkä jälkeen järjestelmä toipui ennalleen, ja sama voitiin toistaa uudelleen. Ominaisuus on tärkeää esimerkiksi pehmeän robotiikan tartuntaelimissä.

Toisessa kokeessa ryhmä osoitti, 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. He 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”, kertoo professori Arri Priimägi Tampereen yliopistosta.

”Valo on varteenotettava ulkoinen ärsyke, koska lasersäteellä voidaan kohdistaa valoa pitkänkin matkan päähän.”

Tutkimuksen tulokset julkaisi Nature Nanotechnology.

(Kuva Olli Ikkalan ja Arri Priimäen tutkimusryhmät) Laservalon, geelien ja peilin muodostama systeemi luo yhdessä palautejärjestelmän, joka pitää ensimmäisen geelin tietyssä lämpötilassa riippumatta ulkoisista häiriötekijöistä.

Kerro meille mielipiteesi!

 

Anna palautetta

Lisää uutisia