Keinotekoinen, valo-ohjattava vaahteran siemen voisi kerätä ympäristödataa hankalistakin paikoista

Tampereen yliopiston Light Robots -tutkimusryhmän professori Hao Zengin ja väitöskirjatutkija Jianfeng Yangin tutkimus risteilee fysiikan, pehmeän mekaniikan ja materiaalitekniikan rajapinnoilla.  Tutkijat ovat hakeneet kehittämiinsä valolla ohjattaviin polymeerirakenteisiin innoitusta luonnosta.

 Yhteisessä tutkimushankkeessaan Zeng, Yang sekä yhdysvaltalaisen Pittsburghin yliopiston Swanson School of Engineeringin professori M. Ravi Shankar hyödyntävät älymateriaalia, joka mahdollistaa keinotekoisten vaahteran siementen lentoratojen säätelyn valon avulla.

Luonnossa vaahteran kukasta kehittyy lohkohedelmä, jossa on kaksi lenninsiivellistä siementä, joiden avulla puu leviää uusille kasvupaikoille. Lenninsiipien ansiosta siemenet tekevät pyörivää liikettä pudotessaan ja liitäessään ilmavirrassa. Lenninsiipien muoto määrittää siementen lentoradan.  

Tutkijoiden mukaan keinotekoisten siementen laskeutumista ja lentoa voidaan ohjata tarkasti valon avulla. Tulevaisuudessa niihin voidaan integroida ympäristöä havainnoivia mikroantureita tai niiden avulla voidaan kuljettaa esimerkiksi pieniä maanäytteitä.

Hi-tec robotti on aitoa siementä mukautuvampi

Suomalaisten puulajien tuulen mukana leviävät siemenet ovat innoittaneet tutkijoita minirobottien kehittelyssä. Eri puulajien siemenillä on kaikilla oma, ainutlaatuinen lentoratansa. Tutkijat pohtivat, miten keinotekoisilla materiaaleilla voitaisiin jäljitellä vastaavaa rakennetta ja siementen kevyttä liitelyä ilmavirrassa.

– Valolla ohjattavat minirobotit on suunniteltu leijumaan vapaasti ja leviämään laajalle alueelle ilmavirtausten mukana. GPS-paikantimilla ja antureilla varustettuina ne voivat reaaliaikaisesti havainnoida ympäristön olosuhteita, kuten pH-arvoja ja raskasmetallipitoisuuksia, Yang selventää.

Minirobotti on valmistettu atsobentseeniä sisältävästä, valoon reagoivasta nestekiteisestä elastomeerista. Robotin aerodynaamisia ominaisuuksia voidaan hienosäätää muuttamalla sen muotoa valon avulla.

– Keinotekoiset vaahteran siemenet päihittävät aidot, koska niiden loppunopeutta, kiertonopeutta ja leijunta-asentoja voidaan säädellä. Kierteisliike auttaa siemeniä kulkeutumaan kauemmas tuulen mukana, Zeng kertoo.

Valoon reagoivilla materiaaleilla kiinnostavia käyttömahdollisuuksia

Vuoden 2023 alussa Zeng ja Yang julkaisivat ensimmäisen, voikukan siemeniä jäljittelevän minirobottinsa, jonka he kehittivät Suomen akatemian rahoittamassa FAIRY-hankkeessa (Flying Aero-robots based on Light Responsive Materials Assembly – FAIRY). Uusin robotti on osa samaa tutkimushanketta. Hanke käynnistyi syyskuussa 2021 ja jatkuu vuoden 2026 elokuuhun.

– Esimerkiksi siemenillä, bakteereilla ja hyönteisillä on valtavasti erilaisia tapoja liikkua ja lisääntyä. Luonnon mekanismit ovat usein yksinkertaisia mutta uskomattoman tehokkaita, Ravi Shankar sanoo.

– Valoon reagoivien materiaalien kehityksessä on edistetty huomattavasti, ja pystymme jo ohjaamaan niiden mekaanista käyttäytymistä lähes molekyylitasoisesti. Nyt meillä on valmius kehittää mikrorobotteja, drooneja ja antureita, jotka voivat toimia vaikeapääsyisillä alueilla ja lähettää kriittistä dataa. Tällainen teknologia voisi mullistaa muun muassa etsintä- ja pelastuspalvelut, uhanalaisten lajien ja vieraslajien tutkimuksen sekä infrastruktuurien valvonnan, hän lisää.

Jianfeng Yangin, M. Ravi Shankarin ja Hao Zengin artikkeli "Photochemical Responsive Polymer Films Enable Tunable Gliding Flight" ilmestyi Nature Communications -lehdessä 1.6.2024.