Hao Zeng tutkii ERC-apurahan avulla elollisen kaltaisia materiaaleja, jotka kommunikoivat keskenään
Hao Zengin mukaan kaikki tämänhetkisten dynaamisten materiaalien toimintatavat perustuvat materiaalin sisäisiin ominaisuuksiin, ja erillisten materiaalien välinen vuorovaikutus on valtava haaste. Biologisten järjestelmien tavoin vuorovaikuttaville keinotekoisille materiaaleille on yhä enemmän tarvetta.
ONLINE – From light fueled self-oscillators to light communicating material networks projektissa Zengin tutkimusryhmä hyödyntää valolla ohjautuvaa itsevärähtelyä viestivien verkostojen aikaansaamiseksi. Hanke yhdistää reagoivien materiaalien ja pehmeän robotiikan ajankohtaiset teemat. Tutkimuksessa kehitetään yleinen suunnittelumalli, joka auttaa havainnollistamaan monenlaisten reagoivien materiaalien välistä viestintää.
– Tutkimuksemme perustuu optiseen palautteeseen, joka on fysiikan käsite. Sitä voidaan hyödyntää yleisesti myös muissa materiaaleissa tai kemiallisissa järjestelmissä. Pyrimme osoittamaan yleisen suunnittelumallin materiaalien viestinnän havainnollistamiseen. Sen myötä on mahdollista lisätä myös tieteellisten rajojen yli tapahtuvaa kanssakäymistä, Zeng sanoo.
Ensin ”ison monsterikoneen” ostoon
Zeng työskentelee akatemiatutkijana Materiaalitieteen ja ympäristötekniikan yksikössä. Hän johtaa myös Light Robots -ryhmää, jossa ONLINE-projekti toteutetaan. Ryhmä tutkii kevyitä robottijärjestelmiä, jotka ohjautuvat ja viestivät valon avulla. Ryhmä saa tukea ja tekee yhteistyötä myös Smart Photonic Materials-ryhmän monitieteisen tutkimustoiminnan kautta.
– Molempien ryhmien jäsenet osallistuvat tähän ERC-hankkeeseen. Kokemuksen, tiedon ja innostuksen jakaminen ovat yhteisiä. Erinomaisen tutkimustiimin tärkein osa ovatkin sen jäsenet, Zeng korostaa.
Zengin ensireaktio apurahan saamiseen oli, kuten hän asian ilmaisee, “melko rauhallinen”. Ensimmäiseksi hän aikoo ostaa laserkirjoitin-mikrovalmistusjärjestelmän.
– Se on iso monsterikone, joka pystyy helposti tuottamaan 3D-mikroskooppisia rakenteita ja mielenkiintoisia robottielementtejä, jotka voivat taipua, kävellä ja uida todella mikroskooppisessa mittakaavassa, Zeng sanoo.
Suurimman osan apurahasta Zeng aikoo käyttää kahden tohtoriopiskelijan ja muutaman post doc -tutkijan palkkaamiseen.
Bioinspiraatio ohjaa uusien ONLINE-materiaalien suunnittelua
Zengin tutkimustyössä keskeistä on bioinspiraatio, jonka tarkoituksena on saada elottomat materiaalit vuorovaikuttamaan tai viestimään keskenään. Elävissä järjestelmissä toimintoja tapahtuu useilla biokemiallisilla ja fysikaalisilla tasoilla. Zeng mainitsee esimerkiksi molekyylitason reaktiot (geenien ilmentyminen ja proteiinien vuorovaikutus), solujen kehittyminen ja tasapainoinen toiminta (homeostaasi), sekä yksilöiden välinen ryhmäytyminen (viestintä).
Näiden biologisten käsitteiden innoittamana ONLINE kehittää elollisen kaltaisia materiaalirakenteita, jotka viestivät keskenään fyysisen kosketuksen, nestemäisen väliaineen tai optisten säteiden avulla.
– Kun nämä elottomat materiaalit kytketään toisiinsa ne muodostavat verkkoja, jotka ovat autonomisesti yhteydessä toisiinsa valon avulla, Zeng kertoo.
Itsevärähtelytutkimusta edistetään
Vuorovaikutteisten materiaalien taustalla on valoon reagoivien nestekide-elastomeerien (LCE) itsevärähtelevä liike. Itsevärähtely seuraa virikkeeseen reagoivasta rakenteesta, joka voi ylläpitää itse omaa mekaanista liikettään jatkuvan virityksen alla. Se kuvastaa elävien organismien keskeisiä käsitteitä eli toimintaa termodynaamisen tasapainon ulkopuolella ja energian käyttöä.
– Itsevärähtely virikkeeseen reagoivissa materiaaleissa on tutkimusala, jota haluan todella edistää. Tavoitteeni on suunnitella erilaisia itsevärähtelyjärjestelmiä ja pienentää rakenteet mikromittakaavaan. Näin voisimme valmistaa pehmeistä materiaaleista robotteja, jotka kykenevät kommunikoimaan, Zeng toteaa.
Zengin mukaan tämänkaltainen robotti voisi ylläpitää liikettään, tehdä päätöksiä ja sopeutua ympäristön olosuhteisiin ilman ihmisen ohjausta, perustuen materiaalin yksinkertaiseen kykyyn reagoida virikkeisiin.
– Itsevärähtelyn tutkimus on toistaiseksi lapsenkengissä. Eniten odotan, että kun tätä ERC-hanketta on toteutettu muutaman vuoden ajan, yhä useampi ihminen kiinnostuu siitä ja yhä useammat tutkijat haluaisivat tulla mukaan edistämään tätä tutkimusalaa, Zeng sanoo.
ERC Starting Grant -rahoitusta nuorille huippututkijoille
Hanketta rahoittaa Euroopan tutkimusneuvosto, joka myöntää rahoitusta huippututkijoille uraauurtavaan tutkimukseen. Rahoituspäätöksissä hankkeen tieteellinen laatu on ainoa arviointikriteeri. ERC Starting Grant -rahoitus on tarkoitettu uransa alkuvaiheessa oleville tutkijoille, joiden tohtorintutkinnosta on kulunut 2–7 vuotta. ERC-rahoitusta on myönnetty 13 Tampereen yliopiston tutkijalle vuodesta 2015.
Lue lisää kaikista ERC:n vuoden 2022 Starting Grants -apurahoista.
Lisätiedot
Hao Zeng
hao.zeng [at] tuni.fi
Teksti: Hao Zeng ja Anna Aatinen
Kuva: Jonne Renvall
