Tutkijat keksivät, miten jäljitellä veden ja tuulen tapaa siirtää materiaaleja

Luonnosta löytyy muodostelmia, jotka säännöllisyydessään näyttävät jonkun suunnittelemilta: tähden mallisia dyynejä tai kaaren muotoon taipuneita kiviä. Vaikka luonnonvoimat ovat sattumanvaraisia ja tuulet tulevat eri suunnista, pitkän ajan kuluessa tietty energiakenttien yhdistelmä voi synnyttää ainutlaatuisia muodostelmia.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet jäljittelemään luonnon prosessia ja siirtämään hiukkasia haluttuun muotoon tärinälevyn avulla. Hiukkaset ohjattiin alkuperäisistä hajanaisista yhdistelmistä kohti muutamaa kirjainmuodostelmaa. Tulokset julkaistiin 22 syyskuuta 2021 arvostetussa Science Advances -lehdessä.

Normaalisti tietynmallisen tuotteen valmistukseen tarvitaan muottia tai taitavia käsipareja.

”Me hyödynsimme piilevyn tärinän synnyttämiä epälineaarisia energiakenttiä, joita ohjasimme kameran ja älykkään algoritmin avulla niin, että levyn päällä olevat hiukkaset tärisivät haluttuun muotoon”, sanoo professori Quan Zhou.

”Määritimme hiukkasten sijainnin kameran avulla, ja älykäs algoritmi valitsi pienelle piilevylle sopivimman tärinätaajuuden hiukkasten liikuttamiseksi. Hiukkaset kulkevat levyllä levyn tärinätaajuudesta riippuen tiettyyn suuntaan, ja liikesuunnat ovat myös hyvin erilaisia levyn eri osissa tietyllä taajuudella”, Zhou jatkaa.

Tutkijat yllättyivät siitä, miten hyvin älykäs algoritmi osasi ennustaa hiukkasten liikkeen levyllä eri taajuuksilla. Näin ero halutun muodon ja hiukkasten jakauman välillä voidaan minimoida.

”Hiukkasten liikkuminen vastaa luonnossa tapahtuvaa ilmiötä, jossa luonto muovaa muotojaan tuulen ja veden voimalla. Menetelmä toimii sekä suuressa että pienessä mittakaavassa, mikä lisää sen sovellusmahdollisuuksia tulevaisuudessa”, tohtorikoulutettava Artur Kopitca sanoo.

Tutkijoiden mukaan luonnon inspiroimaa metodia voisi hyödyntää esimerkiksi solujen lajittelussa lääke- ja biotieteiden tutkimuksessa sekä valmistusmenetelmänä teollisuudessa.

Ensin pitää kuitenkin ratkaista, miten suuri määrä hiukkasia on hallittavissa ja miten prosessin voi yhdistää muihin järjestelmiin, joilla on samankaltaisia dynaamisia ominaisuuksia, kuten turbulentteja virtauksia.

Professori Quan Zhoun tutkimusryhmä on aiemmin tutkinut tärylevyn ominaisuuksia, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun he ovat luoneet muotoja mukaillen luonnossa tapahtuvaa ilmiötä.

Open Access -artikkeli on luettavissa https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abi7716