Tampereen yliopistoon 13 luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen akatemiahanketta

Yliopistotutkija Susanna Narkilahti (MET) johtaa ASEMQ-konsortiota, jossa kehitetään edistyksellinen in vitro -malli epileptisten kohtausten indusointiin ja ennustamiseen. Partnerina hankkeessa on biolääketieteen tekniikan professori Pasi Kallio (MET).  

Projektin tavoite on luoda epileptisten kohtausten tutkimiseen soveltuva kudossiru, jossa hyödynnetään ihmisperäisiä hermoverkkoja, joilla on joko sisäinen kohtausalttius (epilepsiapotilasperäiset solut), joihin voidaan saada aikaan kohtaus, tai joissa kohtaukset ilmentyvät lääkeaineiden haitallisina sivuvaikutuksina. Verkostoja viljellään hyvin tarkasti kontrolloidussa mikroympäristössä siruun integroitujen anturien läheisyydessä.

Mallin avulla voidaan määrittää eri kohtaustyyppien ominaispiirteet. Mallin avulla voidaan myös testata lääkeaineiden vaikutuksia perinnöllisiin epilepsioihin. Samoin voidaan testata eri lääkeaineaihioiden mahdollista kohtausalttiutta, mikä edesauttaa tehokkaampaa lääkekehitysprosessia.

Kehitettävä kohtaussirumalli on tarpeellinen, tällä hetkellä puuttuva, työkalu epileptisten kohtausten mekanismien tutkimukseen, lääkeainekehitykseen sekä neurotoksikologiseen testaukseen.

Malleja ja algoritmeja ultralaajakaistaista THz-matkapuhelintekniikkaa varten

Langattoman viestinnän professori Evgeny Kucheryavyn (ITC) akatemiahankkeen otsikkona on HARMONIOUS: macHine leARning MethOds aNd algorIthms fOr 6G terahertz cellUlar access.

Kymmenien tai jopa satojen gigahertsien peräkkäistä kaistanleveyttä tarjoavaa terahertsin taajuusaluetta pidetään nykyään tärkeimpänä ehdokkaana uudelle 6G-järjestelmien radioliityntätekniikalle. Hyödyntämällä tätä kaistanleveyttä viisaasti ei vain voida tarjota äärimmäisiä tiedonsiirtonopeuksia käyttöliittymässä, vaan mahdollistaa pääsääntöisesti uudet sovellukset langattomasti, kuten koskettava Internet, holografinen telepresence ja virtuaalitodellisuus.

Hankkeen tavoitteena on kehittää joukko pohjimmiltaan uusia malleja ja algoritmeja, jotka mahdollistavat todella liikkuvan ultralaajakaistaisen THz-matkapuhelintekniikan. Nämä mallit auttavat ymmärtämään paremmin THz-erityispiirteitä sekä THz-järjestelmien käytännön viestintämekanismeille ja algoritmeille asetettuja vaatimuksia ja rajoituksia. Hankkeen onnistunut loppuun saattaminen on ratkaiseva askel pääsääntöisesti uusien sovellusten käyttöönottoa kaupallisten järjestelmien yli.

Uusia menetelmiä fysikaalisten järjestelmien energian tutkimiseen

Matematiikan tenure track -professori Lassi Paunosen (ITC) akatemiahanke on nimeltään Hyperbolisten osittaisdifferentiaaliyhtälöiden stabiilisuusteoria ja ohjaus.

Tutkimusprojekti keskittyy dynaamisten ilmiöiden, erityisesti värähtelyjen ja taipumisen, kuvaamisessa käytettyjen matemaattisten mallien analyysiin ja ohjaukseen. “Osittaisdifferentiaaliyhtälöitä” sisältäviä malleja kohdataan, kun tarkastellaan taipuisia osia sisältäviä robotteja, suurikokoisia mekaanisia rakennelmia, tai korkeissa rakennuksissa esiintyviä värähtelyitä.

Projekti kehittää uusia teoreettisia tuloksia ja menetelmiä, joita voidaan käyttää fysikaalisten järjestelmien energian pitkän aikavälin käyttäytymisen tutkimiseen, ja kehittää uusia menetelmiä tällaisten järjestelmien ohjaukseen.

Projektin ohjausratkaisut painottavat erityisesti käytännön sovellusten kannalta tärkeää “robustisuutta”, joka mahdollistaa ohjauksen suunnittelun siten, että ohjaus sietää matemaattisten mallien epätarkkuuksia ja järjestelmien kokemia muutoksia. Tutkimus kuuluu matemaattisen säätöteorian ja funktionaalianalyysin aloille.

Ihmiskehon antennijärjestelmiä langattomiin terveysteknologian sovelluksiin

Mikroaaltotekniikan yliopistonlehtori Toni Björninen (ITC) tutkii akatemiahankkeessaan ihmiskehon antennijärjestelmiä langattomiin terveysteknologian sovelluksiin.

Langaton teknologia on huomaamaton osa arkea. Lähitulevaisuudessa siitä tulee yhtä lailla huomaamaton osa lääketieteen ja terveyden huollon sovelluksia, joissa se tukee ihmisten hyvinvointia ja parantaa elämän laatua. Projektin tuloksena syntyvät sähkömagneettisilta toimintaperiaatteiltaan monimuotoiset ja –osaiset implantoitavat ja päälle puettavat antennijärjestelmät ovat tärkeä osa tätä kehitystä.

Ihmiskehon anatomian tarkasti huomioivat modernit sähkömagneettiset mallit ja tehokkaat laskentamenetelmät mahdollistavat tämän uuden monitoimisen langattoman järjestelmän kehittämisen ja optimoinnin robustiksi kokonaisuudeksi.

Järjestelmän millimetrikokoluokan paristottomat implantoitavat langattomaan tehonsiirtoon perustuvat laitteet soveltuvat erittäin pitkäaikaiseen käyttöön ja kykenevät kommunikoimaan sekä muiden implanttien että puettavien laitteiden kanssa langattomasti.

Mittauksia ja menetelmiä alaraajan verenkierron arviointiin

Verisuonikirurgian professori Niku Oksalan (MET) hankkeen aiheena on kajoamaton useaan anturityyppiin pohjautuva verenkierron arviointi alaraajaa uhkaavassa hapenpuutteessa. OptiVasc-konsortion partnerina on anturitekniikan ja biomittausten tenure track -professori Antti Vehkaoja (MET).

Alaraajaa uhkaava hapenpuute (CLTI) voi pahimmillaan johtaa verenmyrkytykseen, alaraajan kuolioon ja amputaatioon. Tämän lisäksi CLTI voi olla merkki laajemmista henkeä uhkaavista sydän- ja verisuonisairauksista.

Hankkeen tavoitteena on kehittää kosketuksettomia, potilaalle turvallisia ja haittavaikutuksettomia mittausjärjestelyitä sekä mittaustulosten analysointimenetelmiä CLTI:n toteamiseksi, hoitotoimenpiteen aikaiseen hoidon onnistumisen valvontaan ja hoitotoimenpiteen jälkeiseen seurantaan.

Hankkeessa kehitettävät menetelmät perustuvat yhtäaikaisesti usealla eri mittausmenetelmällä saatavan tiedon hyödyntämiseen.

Uutta teknologiaa tulevan sukupolven lähetinvastaanottimiin

Mikroelektroniikan tenure track -tutkija Vishnu Unnikrishnanin (ITC) akatemiahanke on nimeltään Kytkin-pohjaiset analogiset integroidut piirit tulevan sukupolven lähetinvastaanottimiin (SMASH).

SMASH (Switch-Mode Analog Integrated Circuits for beyond-5G Radio Transceivers) on hanke, missä tarkoituksena on tehdä uraauurtavaa tieteellistä tutkimusta ja tuoda paradigman muutos analogisten piirien suunnitteluun.

Kantavana ideana on esittää analoginen informaatio aika-pohjaisilla pulssiaaltomuodoilla ja käsitellä sitä kytkinkomponenteilla. Hanke demonstroi tulokset soveltavan tutkimuksen kautta, tavoitteena parantaa merkittävästi radiovastaanottimien suorituskykyä.

Kehitettävä teknologia voi mahdollistaa esimerkiksi maaseudulle edullisen kiinteän langattoman 100 Gbps laajakaistayhteyden, mikä on kymmenkertainen nopeus nykyisiin parhaimpiin kaapeliteknologioihin verrattuna.

Perovskiittiaurinkokennojen nano- ja mikrotason optimointia

Materiaalikemian tenure track -professori Paola Vivon (ENS) hankkeen otsikkona on Mind the (band)gap: lyijyttömien perovskiittiaurinkokennojen nano- ja mikrotason optimointi (PERLA).

PERLA tähtää läpimurtoon tehokkaiden leveän energiaraon (band gap) lyijyttömien halidiperovskiittiaurinkokennojen järkevässä suunnittelussa. Kokonaisvaltainen laskennallinen ja kokeellinen nano- ja mikrokoon tutkimus löytää perovskiittien vikojen kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ja tunnistaa optimaalisen kennorakenteen. Lisäksi ennennäkemätön kalvo- ja kennotason karakterisointi operatiivisissa olosuhteissa mahdollistaa kennojen vakauden edistyksellisen optimoinnin.

PERLA:n visiolla on vahva perusta kaksi vuotta jatkuneessa lyijyttömien perovskiittien tutkimuksessa sekä läheisessä yhteistyössä muiden huippuperovskiittitutkimusryhmien kanssa. Tulokset tulevat edistämään kestävien aurinkokennoratkaisujen kaupallistamista.

Monihiukkasdynamiikka kaksiulotteisissa elektronisysteemeissä

Laskennallisen fysiikan professori Esa Räsänen (ENS) tutkii akatemiahankkeessaan monihiukkasdynamiikka kaksiulotteisissa elektronisysteemeissä.

Kaksiulotteisilla elektronisysteemeillä kuten monilla puolijohderakenteilla sekä grafeenilla uusine johdannaisineen on hämmästyttäviä fysikaalisia ominaisuuksia sekä lupaavia sovelluksia uuden sukupolven elektroniikassa. Materiaalista riippuen elektronit voivat liikkua hyvin äkkinäisellä tavalla, muodostaa tsunamiaaltojen kaltaisia rakenteita tai toisaalta kvanttimekaanisia "arpia", jotka näyttävät järjestäytyneiltä radoilta kaaoksen keskellä.

Projektissa tutkitaan näitä monimutkaisia ilmiöitä monipuolisilla klassisilla ja kvanttimekaanisilla tietokonesimulaatioilla. Tavoitteena on fysikaalisen ymmärryksen lisäksi kehittää kvanttikuljetusmalli, jossa elektronien liikettä kaksiulotteisissa systeemeissä voidaan kontrolloida halutulla tavalla, jopa epäjärjestäytyneessä systeemissä. Potentiaalisina sovelluksina ovat uudenlaiset nanomittakaavan kvanttitransistorit.

Tavoitteena täysin automatisoitu ohjelmistojen valvominen ja korjaaminen

Tenure track -professori Davide Taibi (ITC) on partnerina Oulun yliopiston ohjelmistotuotannon professori Mika Mäntylän johtamassa hankkeessa Multimodaalinen fuusiopohjainen poikkeamien havainnointi mikropalvelupohjaisen järjestelmän laadun parantamiseksi.

Ohjelmiston käyttäytymisen ymmärtäminen on erityisen tärkeää nykyaikaisessa ohjelmistokehityksessä, jossa ohjelmiston täytyy kehittyä nopeasti luotettavasti. Loppujen lopuksi käyttäjät eivät välitä siitä että, johtuuko huono ohjelmistopalvelu operoinnin (Ops) vai kehityksen (Dev) häiriöistä. Molemmat häiriötyypit on ratkaistava nopeasti.

Tutkimus tähtää tieteellisiin läpimurtoihin, jotka mahdollistavat täysin automatisoidun ohjelmistojen valvomisen ja korjaamisen. Tämä teema tulee entistä tärkeämmäksi tulevaisuudessa, kun elämä ja yhteiskunta tulevat yhä enemmän riippuvaisiksi ohjelmistopohjaisista palveluista ja laitteista. Tutkijat tekevät yhteistyötä ohjelmistoalan kanssa varmistaakseen havaintojensa ekologisen pätevyyden. Myös useat akateemiset kumppanit tukevat työtä.

Uudella menetelmällä uusia materiaaleja fotoniikan teknologiaan

Fysiikan professori Tapio Rantalan (ENS) akatemiahankkeen nimi on Optisten hyperpolarisoituvuuksien laskeminen fotoniikan 2D-materiaaleille kvantti-Monte Carlo -menetelmillä (AQUA-PHOT).

Materiaalien ominaisuudet määräytyvät niiden elektronirakenteesta. Siksi luotettava elektronirakenteen määrittäminen on olennaista ja erityisesti silloin, kun räätälöidään metallisten nanorakenteiden epälineaarisia optisia ominaisuuksia. Projektissa keskitytään elektronirakenteen laskentamenetelmien kehittämiseen kvantti-Monte Carlo “Quantum Monte Carlo” (QMC) -tekniikalla ja erityisesti ns. polkuintegraali-Monte Carlo (PIMC) -lähestymistavalla.

PIMC-menetelmä valjastetaan fotoniikan materiaalien simulointiin, perimmäisenä päämääränä löytää aineiden ominaisuuksien riippuvuus niiden rakenteesta, ts. niiden alkuperä ja keinot säätää materiaalien lineaarisia ja epälineaarisia ominaisuuksia. Samoin tutkitaan elektronien käyttäytymistä eri kokoisissa metallinanopartikkeleissa ja -kiteissä sekä kaksidimensioisissa ja kompleksissa fotoniikan materiaaleissa.

Tällaisella todella uudella menetelmällä on tarkoituksena löytää uusia materiaaleja fotoniikan teknologiaan.

Uutta pienitehoista ja nopeaa, joustavaa transistorielektroniikkaa

Materiaaliopin vieraileva tutkija Paul Berger (ITC) johtaa konsortiota, jonka tavoitteena on tarkan resoluution painaminen ja valosintraus nopeiden matalalla jännitteellä toimivien metalli-oksidi ohutkalvotransistorien valmistuksessa. Partnerina on principal scientist Ari Alastalo VTT:stä.

Yliopiston ja VTT:n tutkimusryhmien konsortio kehittää pienitehoista ja nopeaa joustavaa transistorielektroniikkaa. Projektissa tutkitaan ALD-kasvatettuja eristeitä, joilla on korkea permittiivisyys ja puolijohteita, joilla on korkea varauksenkuljettajien liikkuvuus. Tavoitteena on mahdollistaa elektroniikan valmistus pehmeille alustoille.

Projektissa tutkitaan myös tarkkaa käänteistä offset-tulostusta, jonka avulla saadaan minimoitua transistorin kanavan pituus ja haitallisten kapasitanssien vaikutus. Lopulta projektissa tullaan toteuttamaan korkeataajuinen matalakohinainen vahvistin. Tuloksia voidaan myöhemmin hyödyntää kehitettäessä edullisia, erittäin pienitehoisia puettavia antureita.

Akatemiahankkeet edistävät tutkimuksen laatua ja vaikuttavuutta

Akatemiahanke on LT-toimikunnalle tärkeä rahoitusmuoto tutkimuksen laadun, vaikuttavuuden ja uudistumisen edistämiseksi. Toimikunta pyrkii rahoittamaan luonnontieteiden ja tekniikan eri alojen tutkimusta laaja-alaisesti ja ottamaan huomioon alojen erityispiirteet.

Rahoituspäätöksissä toimikunta korosti etenkin tutkimuksen tieteellistä laatua, uutuusarvoa ja mahdollisuutta läpimurtoihin sekä hankkeen toteutettavuutta.
Useissa rahoitetuissa hankkeissa hyödynnetään myös kansainvälisiä infrastruktuureja tai tutkimusohjelmia, joissa Suomi on jäsenenä mukana. Rahoitetuilla hankkeilla on laajaa yhteiskunnallista vaikuttavuutta ja monessa tutkimuksessa pyritään tuottamaan osaratkaisuja kestävän kehityksen haasteisiin.

Myönnettävä rahoitus ohjataan tutkimusorganisaatiolle, joka hallinnoi rahoituksen käyttöä.

Suomen Akatemian tiedote 21.6.2022