Tutkijat ehdollistivat materiaaleja käyttäytymään Pavlovin koiran tavoin
Kahdessa uudessa tutkimuksessa on osoitettu, että psykologiasta tuttu ehdollistaminen onnistuu yksinkertaistetussa muodossa myös materiaalien puolella. Toinen tutkimus julkaistiin vastikään Nature Communications -lehdessä ja toinen ilmestyy pian Matter-lehdessä.
Ensimmäisessä kokeessa tutkijat käyttivät geeliä, joka oli erityisesti muokattu ja siten poikkeaa arkielämästämme tutuista geeleistä. Geeliin oli lisätty valoon reagoivaa ainetta ja pieniä kultananopartikkeleja, jotka ketjuuntuvat tietyissä olosuhteissa. Tämän ketjuuntumisen avulla materiaali ”oppi” toimimaan uusilla tavoilla tietyissä olosuhteissa. Muokkaus mahdollisti ehdollistamisen valon ja lämmön avulla: Geeliä lämmitettiin, jolloin se muuttui juoksevaksi. Samalla geeli altistettiin tietylle valon aallonpituudelle. Ennen altistusta geeli ei reagoinut valoon. Mutta kun geeli ehdollistamisen jälkeen jähmettyi ja se altistettiin samalle valon aallonpituudelle ilman lämpöä, geeli tuli juoksevaksi. Geeli siis reagoi pelkkään valoon, vaikka sitä ei erikseen lämmitetty. Eli geeli oli oppinut reagoimaan uuteen ärsykkeeseen.
Ilmiötä havainnollistettiin pienellä koiraa muistuttavalla säiliöllä, jonka sisällä geeli oli. Koiralle myös muotoiltiin huulet nestekidepolymeerista, joka ehdollistettiin geelin tavoin.
– Koiran huulet saatiin liikkumaan samalla periaatteella, jonka avulla geeli muuttui juoksevaksi: materiaali ehdollistettiin ensin valon ja lämmön avulla. Kun materiaalit oli ehdollistettu, ja käytimme oikeaa valon aallonpituutta, tämä mallikoira aukaisi huulensa ja alkoi kuolata, eli geeli virtasi, professori Arri Priimägi kertoo.
Materiaali voi oppia itsenäisesti asian, jonka se on jo aiemmin unohtanut
Prosessi oli kaksisuuntainen: Materiaali saatiin myös unohtamaan aiemmin oppimansa. Unohtaminen tapahtuu, kun kultananopartikkelien muodostamat ketjut purkaantuvat, mikä saadaan tapahtumaan geelin pH:ta kontrolloimalla.
– Osoitimme myös, että jos materiaali on oppinut jotain, jonka se myöhemmin unohtaa, se voi ”muistaa” saman asian uudestaan pikkuhiljaa ajan kanssa ilman alkuperäistä signaalia. Tämä perustuu siihen, että geelin pH:n muutoksia voi kontrolloida toisiinsa kytkettyjen kemiallisten reaktioiden avulla, Priimägi sanoo.
Tämä aiemmin opitun ja sitten unohdetun toiminnan palautuminen tapahtui siis ilman tutkijoiden osallistumista. Aivan kuten joidenkin ihmisten muisti palaa hiljalleen muistinmenetyksen jälkeen myös geeli alkoi ajan kanssa muistaa aiemmin opittua. Muistin palautumisen nopeutta voi säädellä olosuhteita muuttamalla. Tässä tutkimuksessa aikaa kului 20 tuntia.
Toisessa artikkelissa tutkijat osoittivat, että sama periaate toimii pienillä pehmeillä polymeerisillä kourilla, jotka tarttuivat pieniin kappaleisiin ainoastaan, jos ne olivat tietyn värisiä. Lisäksi tutkijat opettivat valorobotin liikkumaan ehdollistamisen avulla. Tässäkin tutkimuksessa polymeerinen materiaali ehdollistettiin ensin valon ja lämmön avulla. Ehdollistamisen jälkeen pelkkä valo riitti aikaansaamaan halutun toiminnan.
– Olemme Tampereella tutkineet valorobotteja ja niiden toimintaa nyt muutaman vuoden ajan. Ehdollistamisen kautta niille voi opettaa uusia temppuja kuten värien tunnistusta tai liikkumista olosuhteissa, joissa ne eivät alkujaan liiku, Priimägi kertoo.
Kemia kohtaa psykologian
Materiaalien ehdollistamista käsittelevä tutkimus on erityisen mielenkiintoista, sillä se yhdistää materiaalikemian perustutkimuksen ja psykologian.
– Mietimme sitä, mitä oppiminen voi tarkoittaa materiaaleissa. Alkuperäinen idea tähän tutkimukseen siis tuli psykologian puolelta. Onnistuimme yhdistämään fysikaalisia ja kemiallisia prosesseja uusilla tavoilla, minkä avulla saimme aikaan ehdollistamisen, Priimägi sanoo.
Priimägi nostaa esiin Aalto-yliopiston professori Olli Ikkalan keskeisen roolin.
– Tämä ajatus psykologisesta lähestymistavasta tuli häneltä, vaikka toteutus hoidettiinkin yhdessä, Priimägi sanoo.
Tutkimustiimiin kuuluivat lisäksi tutkijatohtorit Hao Zeng Tampereen yliopistosta ja Hang Zhang Aalto-yliopistosta.
Kahden ärsykkeen välillä ei voi olla isoa viivettä
Alkuperäisessä Pavlovin kokeessa koirat ehdollistettiin kuolaamaan kellon äänen kuullessaan. Reaktio saatiin aikaan, kun tutkija soitti kelloa hiukan ennen tai samanaikaisesti kuin koira näki ruuan. Pian koirat alkoivat yhdistää nämä kaksi asiaa mielessään: kellon soitto ennakoi ruoka-aikaa, jolloin syljeneritys lisääntyi.
– Kahden ärsykkeen välinen aikaero on tärkeä vaikuttava tekijä. Jos kellon ääni kuuluu juuri ennen tai samanaikaisesti ruuan saapumisen kanssa, koira osaa yhdistää nämä kaksi asiaa. Jos viive kasvaa, ehdollistaminen heikkenee tai sitä ei tapahdu lainkaan. Meidän materiaalit käyttäytyivät samalla tavoin, Priimägi sanoo.
Pavlov käytti kokeeseen kelloa, mutta signaali olisi voinut olla toinenkin. Koirat olisi voitu ehdollistaa kuolaamaan jollain toisella äänellä tai vaikkapa jonkin liikkeen avulla. Signaalit, eli ruoka ja kellon ääni, eivät ole sidoksissa toisiinsa.
– Meidän tutkimuksessamme asia ei ole aivan näin helppo. Signaalit, eli valo ja lämpö, eivät ole täysin toisistaan riippumattomia, sillä valokin tuottaa lämpöä. Pystyimme osoittamaan, että ehdollistaminen saadaan aikaan eri valon aallonpituuksilla, mikä vastaa yksinkertaistetussa muodossaan signaalin muutosta. Tietyin rajoituksin ja tietyissä olosuhteissa analogia Pavlovin alkuperäiseen kokeeseen kuitenkin pätee, Priimägi sanoo.
Jatkotutkimuksissa onkin tarkoitus selvittää, voidaanko materiaalit ehdollistaa jollain toisilla signaaleilla. Eli voidaanko vaikkapa lämpö korvata kokonaan toisella tekijällä, jolloin signaalit olisivat täysin toisistaan riippumattomia.
– Tämä on mielenkiintoinen kysymys. Vasteen aikaansaamiseksi tarvitaan siis kaksi erillistä signaalia, joihin materiaali reagoi. Koska toiminnallisia materiaaleja voi valon ja lämmön lisäksi ohjata monenlaisilla muilla ärsykkeillä kuten sähkö- ja magneettikentillä, kosteusmuutoksilla tai erilaisilla kemikaaleja, vaihtoehtoja tämän konseptin jatkokehittämiselle on lukuisia. Lisäksi materiaalissa täytyy olla jokin muistisignaali, geelin tapauksessa kultananopartikkelit ja valorobottien tapauksessa valoherkkien molekyylien kulkeutuminen materiaalin pinnalta sen sisään, Priimägi toteaa.
Materiaalitekniikan uusia ulottuvuuksia
Löytö voi avata uusia mahdollisuuksia materiaalitekniikan parissa. Tulevaisuudessa voidaan mahdollisesti luoda vaikkapa pinnoitusmateriaaleja, jotka muuttavat toimintaansa eri olosuhteissa.
– Tämä ehdollistamisen konsepti ei ole sidoksissa vain tähän koeasetelmaan. Oppiminen tässä mielessä, kuten me sen toteutimme, voidaan laajentaa muillekin alueille. Mutta tällä hetkellä ehdollistaminen toteutuu vain valon ja lämmön yhteisvaikutuksesta, Priimägi kertoo.
Teksti: Jaakko Kinnunen
Kuvat: Jonne Renvall & Arri Priimägi
