Tampereen teknillinen yliopisto

Uudenlainen kirurgin älyveitsi tunnistaa leikattavan kudoksen

Pe, 05/04/2018 - 15:45 Toimitus

Syöpäkirurgiassa kasvain pyritään poistamaan kerralla ja mahdollisimman täydellisesti. Kasvaimen rajojen tunnistaminen silmämääräisesti ei kuitenkaan ole helppoa. Apuun tulee nyt uudenlainen älykäs kirurgin veitsi.

​Maailmassa arviolta joka viidennelle rinta- tai eturauhassyövän vuoksi leikatulle potilaalle jää kasvainkudosta leikkausalueen reunoille. Se vaikuttaa huomattavasti potilaan sairauden ennusteeseen ja edellyttää yleensä lisätoimia.

Rintasyövän tapauksessa se vaatii yleensä koko rinnan poistoa. Vastaavia haasteita on esimerkiksi infektoituneiden haavojen puhdistuksessa, joissa kudospoistoon ei ole mitään objektiivisia työkaluja. Leikkauksessa syntyvän savun analysointi auttaa parantaman tarkkuutta, selviää Anton Kontusen tutkimuksessa.

Tutkimusartikkeli ilmestyi juuri Annals of Biomedical Engineering -lehdessä.

Diatermiaa eli sähköveistä käytetään nykyisin valtaosassa kirurgisia toimenpiteitä. Veitsi leikkaa kudosta valokaarella, jolloin kudos höyrystyy ja sen sisältämät aineet haihtuvat kirjaimellisesti "savuna ilmaan".

Menetelmän haittapuoli on se, että savun sisältämät pienhiukkaset ovat terveydelle haitallisia. Savua imetäänkin leikkausalueelta erityisellä savuimurilla. Suomalaisideana on käyttää savua myös hyödyksi.

"Savun sisältämät pienhiukkaset ovat vain yksi savun komponentti", selittää väitöskirjaa Tampereen teknilllisessä yliopistossa tekevä Kontunen.

"Savukaasu sisältää myös pieniä haihtuvia molekyylejä, joiden perusteella käsiteltävästä kudoksesta saadaan hyvin tarkkaa tietoa."

Nyt julkaistussa tutkimuksessa leikattiin diatermiaa käyttäen kymmentä eri sian kudosta. Kudoksista haihtuva savukaasu analysoitiin differentiaalimobiliteettispektrometrilla.

"Kudokset erottuivat tilastollisilla luokittelumenetelmillä 95 prosentin varmuudella", Kontunen sanoo. 

Aiemmissa tutkimuksissa savukaasun sisältämiä molekyylejä on tutkittu massaspektrometrilla, joka on kallis molekyyleja tyhjiössä analysoiva laite.

Tampereella on tutkittu haihtuvia molekyylejä jo vuosien ajan ionimobiliteettispektrometrian keinoin. Menetelmä on sukua massaspektrometrialle, mutta ei vaadi tyhjiötä ja on siten huomattavasti halvempi ja toimintavarmempi. Ionimobiliteettispektrometreja on käytetty kymmeniä vuosia sovelluksissa, joissa toimintavarmuus on ensiarvoisen tärkeää.

Erittäin lupaavien tulosten myötä tutkimusta on sovellettu etenkin syöpähoidoissa.

"Olemme noin vuoden ajan analysoineet ihmisistä poistettuja syöpäkasvaimia ja näyttää siltä, että samankaltaiseen suorituskykyyn on mahdollista päästä myös niissä", kertoo kirurgian professori ja tutkimusryhmän johtaja Niku Oksala Tampereen yliopistosta.

"Uskon vahvasti, että tulevaisuudessa teknologia tulee auttamaan potilaita ja kirurgien päivittäistä työtä."

Tutkimus toteutettiin Tampereen yliopiston ja Tampereen teknillisen yliopiston yhteistyönä.

Lupaavien tulosten innoittamana aiheen ympärille on perustettu startup-yritys Olfactomics, joka kaupallistaa tekniikkaa.

*

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen. Otsikkokuva on kuvakaappaus Olfactomicsin videolta.

Todella outoa: laservalo syntyy kaaoksesta

To, 03/08/2018 - 23:49 Toimitus

Ultralyhyen laserpulssin syntyhetki on pystytty havaitsemaan ensimmäistä kertaa – ja tulos on hyvin jännä. Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan tutkijat olivat mukana hankkeessa, jonka tulokset julkaistiin juuri Nature Photonics -lehdessä.

Ultralyhyen aallonpituuden laserit ovat kriittisiä komponentteja muun muassa monissa tietoliikenteen ja teollisen tuotannon prosesseissa.

Niiden kehittäminen on johtanut fysiikan Nobelin palkintoihin, mutta siitä huolimatta niiden synty on silti yhä edelleen arvoitus: miten ihmeessä laser kykenee tuottamaan niin kirkkaan valonvälähdyksen?

Asiaa on tutkittu jo 1960-luvulta alkaen. Silti vasta nyt on ollut tullut mahdolliseksi todistaa laserpulssin syntyhetki ja nähdä kuinka se muodostuu kohinasta.

"Ultralyhyiden laserien tutkiminen on haasteellista, koska ne tuottavat tyypillisesti enintään pikosekunnin mittaisia pulsseja", kertoo professori Goëry Genty, joka valvoi tutkimusta Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) fotoniikan laboratoriossa.

"Optiset mittaustekniikat eivät ole kyenneet mittaamaan laserin vakaantumista edeltäviä monimutkaisia dynaamisia prosesseja ja ultralyhyiden pulssien satoja (joskus tuhansia) purkauksia." 

Tuoreessa Nature Photonics -lehdessä julkaistu tutkimus näyttää selvästi, kuinka laserpulssi kehittyy kohinasta kuin tyhjästä ja värähtelee voimakkaasti ennen vakaantumistaan. Tulokset tuottavat uutta tietoa laserpulssien toiminnasta ja niillä on vahvaa tieteidenvälistä sovellettavuutta.

"Kyseessä on esimerkki ns. dissipatiivisesta solitonijärjestelmästä, joka on yksi epälineaarisen tieteen peruskäsitteistä ja jota voidaan soveltaa muun muassa biologian, lääketieteen ja ehkä jopa yhteiskuntatieteiden alueilla", sanoo professori John M. Dudley, joka ohjasi tätä ranskalaisessa Bourgogne-Franche-Comtén yliopistossa tehtyä tutkimustyötä.  

Erityinen tieteellinen edistysaskel, joka mahdollisti kyseisen tutkimuksen, on laserin ajallisen intensiteetin reaaliaikainen mittaus alle pikosekunnin tarkkuudella sekä laserin spektrin mittaaminen alle nanometrin tarkkuudella.

Tarkkailemalla näitä ominaisuuksia samanaikaisesti tutkijat onnistuivat kehittämään edistyneen laskennallisen algoritmin, joka tunnistaa laserin sähkömagneettisen kentän ominaisuudet.

Professori Goëry Genty työskentelee Tampereen teknillisessä yliopistossa fotoniikan laboratoriossa.
Professori Goëry Genty kuvattuna Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan laboratoriossa.

 

Ryhmään kului tutkijoita Tampereen teknillisen yliopiston fotoniikan laboratoriosta ja ranskalaisesta FEMTO-ST –instituutista (CNRS ja Bourgogne-Franche-Comtén yliopisto). Kun tutkijat rekonstruoivat sähkömagneettisen kentän syntymistä, he havaitsivat kohinasta laajaa vuorovaikutusta dissipatiivisten solitonijärjestelmien välillä.

"Käytimme tutkimusmenetelmää, joka toimii alhaisilla tehotasoilla ja korkeissa nopeuksissa. Ryhmämme todisti ensimmäistä kertaa muun muassa dissipatiivisten solitonien välisiä törmäyksiä ja yhteensulautumisia", Genty selittää.

Tutkijat uskovat, että tulokset parantavat ultralyhyiden lasereiden suunnittelua ja suorituskykyä.

"Tämä on kiehtova tutkimusalue, jossa perustutkimuksesta lähtevillä kysymyksillä on todellista käytännön merkitystä tulevaisuuden fotoniikan kehittämisessä", uskoo Dudley Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteessa, mihin tämäkin artikkeli pohjautuu käytännössä suoraan.

Hyvä kysymys: mitä kaikkea biokomposiiteista voi valmistaa?

To, 02/01/2018 - 20:49 Toimitus

Kansainvälinen FibreNet-hanke koettaa kehittää uusia työkaluja ja menetelmiä biokuituja sisältävien tuotteiden ominaisuuksien hallintaan. Kuiduilla on keskeinen rooli siinä, millaisia ominaisuuksia moniin arkipäiväisiin tuotteisiin voidaan kehittää.

Olennainen asia selluloosaan perustuvien biokuitujen mahdollisuuksien kehittämisessä on kuitujen mekaaninen määrittely eli karakterisointi. Tampereen teknillisessä yliopistossa kehitetty, robotiikkaa ja optista mikroskopiaa yhdistävä järjestelmä on tässä olennaisessa osassa.

FibreNet-konsortion ytimen muodostavat seitsemän eurooppalaista yliopistoa ja kahdeksan kuitualan yritystä.

"Tutkimus keskittyy nimenomaan biokuituihin, ei keinotekoisiin kuituihin kuten lasi- tai hiilikuituun", sanoo professori Pasi Kallio TTY:n biolääketieteen tekniikan tiedekunnasta. Hän toimii FibreNetin koordinaattorina.

"Kuitutuotteissa keskitymme erityisesti pakkausmateriaaleihin, biokomposiitteihin ja lääketieteellisiin tuotteisiin, kuten tasaisesti lääkeaineita luovuttaviin haavanhoitotuotteisiin sekä kudosteknologisiin sovelluksiin. Hankkeessa kehitettyjä menetelmiä voidaan hyödyntää useilla sovellusalueilla."

Tutkimushanke toteutetaan Tampereella väitöskirjaprojektien muodossa. Näitä on kaikkiaan 15.

"Jotta kaikki tavoitteet voidaan saavuttaa, jokaisessa FibreNet-hankkeessa keskitytään erilaisiin haasteisiin. Ne liittyvät muun muassa biokuitujen funktionalisointiin, karakterisointiin, mallintamiseen ja valmistamiseen. Tutkimus kattaa nano-, mikro- ja tuotantotason."

FibreNet on osa Marie Skłodowska-Curie -rahoitteisia eurooppalaisia koulutusverkostoja. Nämä EU-rahoitteiset Horizon 2020 -puiteohjelman ns. innovatiiviseen opetusverkostoon (ITN) kuuluvat projektit keskittyvät erityisesti akateemiselta iältään nuorien tutkijoiden uran buustaamiseen sekä tutkijaliikkuvuuteen.

"ITN-projektirahoitus on erittäin kilpailtua ja arvostettua", Kallio sanoo. 

"Vuoden 2017 haussa keskimääräinen onnistumisprosentti oli 6,8 prosentin luokkaa ja hakemuksia tuli yli 1700. Pärjäsimme kovassa kilpailussa." 

Hankkeen rahoitusmuodosta johtuen Suomeen palkataan tutkijat Suomen ulkopuolelta. Suomessa opiskelleilla puolestaan on mahdollisuus hakea hankkeen yhtätoista muualla Euroopassa avattua paikkaa.

Kolmevuotiset tohtorikoulutettavan paikat ovat nyt avoinna. Suomeen palkataan neljä tutkijaa: kolme TTY:lle ja yksi Kemiralle.

"Kyseessä on ainutlaatuinen tilaisuus rakentaa ammatillisia verkostoja, tutustua sekä teollisuuden että akateemisen maailman toimintatapoihin tutkimuksessa ja ansaita tohtorin tutkinto biokuitujen alalla", Kallio toteaa. 

FibreNetin avoimet paikat hakuohjeineen löytyvät hankkeen sivuilta. TTY:n avoimet paikat ovat materiaaliopin laboratoriossa sekä mikro- ja nanosysteemien tutkimusryhmässä.

*

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen, jonka on jättänyt Sanna Kähkönen.

Keinonenä kertoo: pian suunnistetaan hajun avulla

Ti, 01/02/2018 - 14:40 Toimitus

Ei enää toimistosokkeloiden ja ostoskeskusten karttakuvien tavaamista! Tamperelaistutkijoiden mukaan voit nimittäin pian haistella tiesi oikeaan paikkaan. Hajupaikannus perustuu paikoille ominaisiin ainutlaatuisiin tuoksuihin. 

Miten lohi löytää kotijokeensa kutemaan vietettyään vuosia kaukana merellä? Kuinka kirjekyyhky suunnistaa kotilakkaansa jopa tuhansien kilometrien päästä?

"Eläinten sisäisen kompassin toiminta perustuu muun muassa hajuaistiin. Ryhmä tutkijoita osoitti jo vuonna 1978, että lohet tunnistavat kotijokensa tuoksun."

Näin toteaa Tampereen teknillisen yliopiston tutkijatohtori Philipp Müller, joka innostui tuoksuista professori Robert Pichén kanssa. He tutkivat miten tuoksut voivat auttaa meitä suunnistamaan julkisilla paikoilla, kuten ostoskeskuksissa ja toimistorakennuksissa.

"Jotta tuoksujen avulla olisi mahdollista suunnistaa, eri tiloissa tyypillisesti havaittavat tuoksut täytyy pystyä mittaamaan ja kartoittamaan tarkasti", Müller sanoo.

Müller käyttää tarkoitukseen keinonenää eli kädessä kannettavaa elektronista laitetta, joka haistelee ilmaa ja raportoi havaitut tuoksut käyttäjälleen. 

Idea on yksinkertainen ja muistuttaa WLAN-signaaleihin ja magneettikenttiin perustuvaa sisätilapaikannusta. Keinonenä haistelee ilmaa tuntemattomassa sijainnissa ja vertailee aiemmin kerättyjä tuoksuhavaintoja tunnistaakseen paikan.   

"Hajupaikannus perustuu ajatukseen, että kaikilla tiloilla olisi niille ominainen, ainutlaatuinen tuoksu. Halusimme nähdä, olisiko mahdollista määrittää paikalle ominaishaju, samoin kuin ihmiselle yksilöllinen sormenjälki. Ensimmäisten testien tulokset ovat lupaavia, mutta joitakin ongelmakohtia on vielä ratkaistavana."

Smell Sensing 2.0 -tuoksusensori
Itävaltalaistutkijat ovat kehittäneet jo hyvin pienikokoisen keinonenän, "Smell Sensing 2.0" -hajusensorin.

Haistaa ihmistä tarkemmin

Useimmat meistä tunnistavat työpaikan kahvihuoneen, henkilöstöravintolan tai tutun kuntosalin ominaistuoksun.

On helppoa paikantaa itsensä tällaisissa paikoissa ilman teknisiä apuvälineitä, mutta monissa paikoissa ominaistuoksu on heikompi ja vähemmän yksilöllinen.

"Keinonenä havaitsee hajuja, joita ihmiset eivät kykene aistimaan. Se kehitettiin alun perin nuuskimaan kemiallisia aseita, joita ihmisen hajuaisti ei erota. Siksi arvelimme, että sitä voisi käyttää paikannukseen sellaisissa tiloissa, joita ihminen ei voi tunnistaa tuoksun perusteella. Haluamme myös lisätä hajutietoja karttoihin, jotta ihmiset voisivat helpommin suunnistaa heille entuudestaan tuntemattomissa paikoissa."

Nuuhkimmeko pian tiemme kokoushuoneeseen tai tiettyyn kauppaan ostoskeskuksessa?

"Tulevaisuuden älypuhelimissa voisi olla keinonenäsovellus", ehdottaa Müller. 

"Itse asiassa markkinoilla on jo hajuantureita, jotka voisi helposti integroida mobiililaitteisiin. Kunhan hajuantureita löytyy massatuotteista, olemme toivon mukaan valmiina hyödyntämään niitä olemassa olevissa paikannus- ja navigaatiojärjestelmissä. Hajun avulla voidaan merkittävästi parantaa niiden tarkkuutta. Olemme kuitenkin vasta aloittaneet tutkimustyön ja monta avointa kysymystä on vielä ratkaistava, ennen kuin paikannus onnistuu luotettavasti hajusormenjälkien avulla."

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen. Otsikkokuva: Flickr / Maggie A-Day.

Algoritmi vakoilee sydäntäsi – varoittaa rytmihäiriöstä ennen kuin huomaat mitään

Ti, 10/24/2017 - 20:50 Toimitus

Joka vuosi yli seitsemän miljoonaa ihmistä kuolee sydämen rytmihäiriöihin. Mitä aikaisemmin rytmihäiriöt todetaan, sitä paremmin niitä voidaan hoitaa. Jatkuvasti sydäntä tarkkailevat rannekkeet, kellot ja muut laitteet auttavat rytmihäiriöiden aikaisessa tunnistamisessa, mutta ilman rytmiä analysoivaa algoritmia eivät laitteet toimi lainkaan.

Jokaisen sydämen syke on erilainen, ja myös meidän jokaisen pienet poikkeamat normaalista ovat hyvin henkilökohtaisia. 

Koneoppimisen menetelmillä voidaan kuitenkin paljastaa terveen sydämen sykkeen pohjalta erilaisia potentiaaliset poikkeamia ja siten tunnistaa rytmihäiriöt heti.

Tampereen teknillisen yliopiston signaalinkäsittelyn tutkijat ovat kehittäneet yhdessä Qatarin yliopiston ja Izmir University of Economicsin tutkijoiden kanssa menetelmän, jolla voidaan havaita jo hyvin varhaiset sydänoireet.

Rytmihäiriöitä on yritetty ennustaa ennenkin, mutta globaalit menetelmät eivät ole osoittautuneet luotettaviksi. Nyt kehitetyn, patentoidun menetelmän tunnistusvarmuus on tällä hetkellä 99,4 prosenttia.

"Terveillä ihmisillä tunnetaan vain heidän normaali sykkeensä. Mistä voidaan tietää, millainen syke on rytmihäiriössä? Tutkimuksessamme selvisi, että terveen sydämen sykkeen pohjalta on koneoppimisen menetelmillä mahdollista generoida kaikki erilaiset potentiaaliset poikkeamat", sanoo professori Serkan Kiranyaz Qatarin yliopistosta.

Hän on tehnyt tutkimusta yhdessä TTY:llä professori Moncef Gabboujin kanssa. Heidän lisäkseen ryhmään kuului myös Izmirin Talousyliopiston Turker Ince.

Tutkijat hyödynsivät työssään aiemmissa ECG-tutkimuksissaan keräämäänsä materiaalia erilaisista sykkeistä ja rytmihäiriöistä.

"Kehittämämme järjestelmä räätälöidään jokaiselle käyttäjälle henkilökohtaisesti", Kiranyaz jatkaa. "Siihen syötetään tiedot terveen ihmisen sydämen sykkeestä sekä sen pohjalta generoidut synteettiset virhelyönnit. Näin järjestelmä opetetaan seuraamaan potilaan sykettä ja havaitsemaan rytmihäiriöt heti sellaisten ilmaantuessa."

Kyse ei ole mistään pikkuasiasta, sillä sydämen rytmihäiriöt ovat yksi yleisimmistä kuolinsyistä maailmassa. Niitä aiheuttavat perinnöllisten syiden lisäksi esimerkiksi korkea verenpaine, diabetes, tupakointi, alkoholi ja stressi. Alkuun rytmihäiriöt ovat usein satunnaisia, mutta voivat muuttua hengenvaaralliseksi myöhemmin.

Professori Moncef Gabbouj TTY:n signaalinkäsittelyn laboratoriosta.

Kuluttajan saataville ehkä nopeallakin aikataululla

Uusi järjestelmä olisi mahdollista laittaa esimerkiksi nyt käytössä oleviin oman terveydentilan seurantaan käytettäviin rannekkeisiin tai mittareihin.

"Nyt käytössä olevat laitteet saattavat mitata ja seurata sykettä, mutta eivät osaa havaita poikkeamia", toteaa Kiranyaz.

"Käymme tällä hetkellä neuvotteluja eri yritysten kanssa järjestelmän kaupallistamisesta. Kun sopiva yritys on löytynyt, uskon, että järjestelmä saadaan markkinoille hyvinkin nopealla aikataululla."

Käyttäjälle menetelmän käyttö on tutkijoiden suunnitelmien mukaan hyvin yksinkertaista. Omat tiedot ladataan palvelimelle, josta tiedot mahdollisista poikkeamista sykkeessä siirretään kannettavaan laitteeseen. Rytmihäiriön ilmaantuessa käyttäjä saa välittömästi ilmoituksen.

"Tietoja on sitten mahdollista käydä läpi yhdessä lääkärin kanssa", Kiranyaz sanoo.

*

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen, jonka on kirjoittanut Sanna Kähkönen.

Video: Näin keinoiiris reagoi valoon kuin ihmissilmä

Älykkäästä, valolla liikuteltavasta polymeerimateriaalista valmistettu keinoiiris reagoi tulevaan valoon sanoin kuin oikea silmä. Yllä oleva video näyttää miten keinoiiris toimii.

Ihmissilmän iiris on kudos, jonka tehtävänä on säädellä silmään pääsevän valon määrää muuttamalla pupillin kokoa valon määrän mukaan.

Näin verkkokalvoille pääsee aina sopiva määrä valoa. Valon määrän hallinta on tärkeää myös kuvantamissovelluksissa, kuten esimerkiksi kameroissa. Niissä automaattiseen valon määrän säätelyyn ja siten korkealaatuisen kuvan syntyyn tarvitaan kuitenkin monimutkainen tunnistinjärjestelmä.

Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) Smart Photonic Materials -tutkimusryhmä on kehittänyt keinoiiriksen, joka toimii ihmissilmän tavoin. Se esiteltiin 7.6. ilmestyneessä materiaalitieteen alan arvostetussa Advanced Materials -julkaisussa.

"Autonominen iiris, joka pystyy säätämään itsenäisesti aukkonsa kokoa valon määrän mukaan, on uutta valo-ohjattavien materiaalien saralla", kertoo tutkimusryhmää johtava Akatemiatutkija, Associate Professor (tenure track) Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta.

TTY:n tutkijat kehittivät iiriksen yhdessä Varsovan yliopiston tutkijoiden kanssa. Keinoiiris valmistettiin valoon reagoivasta nestekide-elastomeerista. Sen valmistuksessa hyödynnettiin niin sanottua photoalignment-teknologiaa, jota käytetään myös esimerkiksi kännyköiden näytöissä.

"Keinoiiris muistuttaa hieman piilolinssiä, ja sen keskiosa avautuu ja sulkeutuu sen mukaan, miten paljon siihen osuu valoa", Priimägi sanoo.

Sovelluksia silmälääketieteessä?

Priimägin mukaan keksinnön tekee merkittäväksi se, että laite toimii itseohjautuvasti ilman ulkoisia virtalähteitä tai valoilmaisimia.

"Tämän tutkimuksen innoittajana toimi lääkäri, jonka mukaan itseohjautuvalle iirikselle voi löytyä sovelluksia silmälääketieteessä", Priimägi kertoo.

"Matka käytännön sovelluksiin on pitkä, mutta seuraava tavoitteemme on saada keinoiiris toimimaan myös nestemäisessä ympäristössä. Toinen tärkeä tavoite tulee olemaan laitteen herkkyyden kasvattaminen, jotta se reagoisi nykyistä pienempiin valon määrän muutoksiin. Nämä edistysaskelet veisivät meidät askeleen lähemmäksi mahdollisia biosovelluksia."

Tutkimusryhmän johtaja kiittelee ryhmänsä tutkijoiden tutkijatohtori Hao Zengin ja tohtoriopiskelija Owies Wanin tärkeää panosta keinoiiristutkimuksen onnistumisessa.

Smart Photonic Materials -ryhmä julkaisi aiemmin keväällä Nature Communications -lehdessä myös tutkimuksen kärpäsloukkukasvin idealla toimivasta optisesta polymeerikourasta, joka osaa tunnistaa itsenäisesti objekteja ja valita niistä oikeat. Tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia pehmeiden mikrorobottien kehityksessä.

Keinoiiristutkimus on tehty ERC-rahoituksella.

Artikkeli perustuu TTY:n tiedotteeseen ja video on peräisin Smart Photonic Materials -tutkimusryhmältä.

Video: Mikä ihme on optinen kärpäsloukku, joka auttaa pehmeiden mikrorobottien kehityksessä?

Valon avulla liikuteltavat materiaalit kehittyvät Tampereen teknillisen yliopiston Smart Photonic Materials -tutkimusryhmän käsissä kovaa vauhtia.

Ryhmän tutkimus kärpäsloukun idealla toimivasta optisesta polymeerikourasta julkaistiin Nature Communications -lehdessä. Tutkimus avaa uusia mahdollisuuksia pehmeiden mikrorobottien kehityksessä.

Kärpäsloukku on lihansyöjäkasvi, joka nappaa pieniä hyönteisiä lehtiensä avulla.

TTY:n Smart Photonic Materials -tutkimusryhmän optinen polymeerikoura on tähän mennessä lähimmäksi samaa luonnon älyä pääsevä pehmorobotti. Se on ensimmäinen autonominen valo-ohjautuva laite, joka pystyy tunnistamaan esineitä.

"Kärpäsloukku-kasvi on avoinna ja odottaa, että hyönteinen laskeutuu sen kitaan", tutkimusryhmää johtava Arri Priimägi TTY:n kemian ja biotekniikan laboratoriosta kertoo.

"Se osaa erottaa, onko sen pinnalla pölyhiukkanen vai hyönteinen – vain hyönteinen saa kasvin sulkeutumaan. Samaan pyrimme omassa 'kärpäsloukussamme'”-

Kärpäsloukun matkimisen mahdollistavat nestekide-elastomeerit, joiden muotoa voidaan muuttaa valon avulla. Nyt julkaistussa tutkimuksessa esitelty optinen kärpäsloukku on alle sentin mittainen elastomeeriliuska. Se on kiinnitetty valokuituun, johon on kytketty sinistä valoa.  

Kun jokin elastomeerin alle osuvista kappaleista heijastaa valoa takaisin sopivalla tavalla, se napsauttaa kärpäsloukun tavoin itsensä kappaleen ympärille, maholistaen esimerkiksi kappaleiden hallitun siirtelyn paikasta toiseen. Nostovoimaa on monisatakertaisesti omaan painoon nähden.

”Tunnuslauseemme on ollut 'Let’s make it smart'. Selvitämme, miten elastomeeri osaisi liikkeen lisäksi esimerkiksi tunnistaa objekteja ja valita niistä oikean. Seuraavaksi haluamme opettaa kärpäsloukkumme tunnistamaan värejä."

Valolla ohjattavat elastomeerit ovat niin uudenlainen lähestymistapa robotiikkaan, että uutta ajateltavaa niin perustutkimuksen kuin sovellustenkin suhteen tulee jatkuvasti.

"Sovelluksia tällaiselle optiselle kärpäsloukulle saattaisi tulevaisuudessa olla vaikkapa tuotantolinjalla, josta se osaisi poimia vialliset tuotteet pois, mutta ensin pitää oppia tuntemaan laitteemme mahdollisuudet ja rajoitteet", Priimägi kertoo.

ERC-rahoituksella tehty tutkimus julkaistaan 23.5.2017 arvostetussa Nature Communications -julkaisussa. Se on avoin julkaisu, ja Smart Photonic Materials -ryhmän artikkeliin pääsee tutustumaan sen ilmestyttyä osoitteessa http://nature.com/articles/doi:10.1038/ncomms15546

Artikkeli on TTY:n tiedote lähes sellaisenaan, video on tutkimusryhmältä.

PEEK-kestomuovilla voi korvata metalliakin

Ma, 04/03/2017 - 16:12 Toimitus

PEEK-kestomuovia käytetään nykyisin erilaisissa teknisissä sovelluksissa, mutta pienillä parannuksilla se voisi taipua aivan uudenlaisiin käyttökohteisiin. Ville Myllärin tutkimuksessa PEEK-kuidut ohenivat ja saivat pintaansa yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita. 

Polyeetterieetteriketoni eli PEEK on kestomuovi, jota käytetään silloin kuin muut muovit eivät enää ominaisuuksiensa puolesta riitä. Sillä on erityisen hyvä lämmön- ja kemikaalien kesto sekä mekaaninen lujuus. PEEKin korkea hinta, noin sata euroa kilolta, kuitenkin rajaa sen käyttöä erikoiskohteisiin.

PEEKiä käytetään muun muassa ydinvoimaloiden tiivisterenkaissa, lentokoneissa korvaamaan metalleja ja erilaisissa lääketieteellisissä sovelluksissa, kuten kalloimplanteissa", kertoo TTY:llä ensi perjantaina väittelevä Ville Mylläri.

Mylläri tutki PEEK-pohjaisten kuitujen käyttömahdollisuuksia yhä vaativimmissa sovelluksissa. Yksi tutkimuksen tavoitteista oli valmistaa mm. mahdollisimman ohuita PEEK-kuituja.

"Ohuita kuituja käytetään esimerkiksi lääketieteessä katetrien suojapunoksina", Mylläri sanoo.

Mylläri myös ikäännytti PEEK-kuituja lämmön ja valon avulla. PEEKin ylin suositeltu käyttölämpötila on 250 astetta, mutta testien perusteella tämä lämpötila haurastuttaa kuituja suhteellisen nopeasti.

"Sama vaikutus on myös UV-valolla. Sen huono kesto on yllättäen yksi PEEKin suurimmista heikkouksista."

Kolmannessa osiossa PEEKiä muokattiin kemiallisesti. Kuidun pintaan muodostui UV-säteilyn ansiosta kemiallisia yhdisteitä, jotka pystyvät hajottamaan orgaanisia aineita.

"Ominaisuutta voitaisiin hyödyntää muun muassa itsestään puhdistuvissa ja antimikrobisissa tekstiileissä sekä fotokatalyyttisessä ilmanpuhdistuksessa", Mylläri ehdottaa.

Artikkeli on Tampereen teknillisen yliopiston tiedote vain hieman toimitettuna.

Mikrorobotilla paperikuitujen kimppuun

Ke, 02/08/2017 - 18:50 Toimitus

Konenäöstä on avuksi paperikuitujen automaattisessa käsittelyssä. Mikrorobotiikkalaitteiston avulla voidaan nopeuttaa haastavien kuitutason mittausten tekoa ja lisätä niiden toistettavuutta. Näin kertoo tuore väitöstutkimus.

Paperiteollisuutta on nimitetty auringonlaskun alaksi jo kauan, mutta edelleen viime vuonna paperi ja kartonki kattoivat 13,7 % Suomen viennistä ja olivat tuoteryhmien kiistaton ykkönen.

Paperin ominaisuuksien tutkimukseen kannattaa siis edelleen panostaa. Yksi tällainen tutkimus on nyt perjantaina tarkastettava, Tampereen teknillisen yliopiston biolääketieteen tekniikan tiedekunnassa tutkijana työskentelevän Juha Hirvosen väitöskirja Computer Vision Measurements for Automated Microrobotic Paper Fiber Studies.

Se tarjoaa kiinnostavan, uuden näkökulman paperimassaan ja sen tekemiseen.

Paperi koostuu toisiinsa sitoutuneista paperikuiduista. Yksittäisten kuitujen ja niiden muodostamien sidosten perusominaisuudet, kuten taipuisuus ja vetolujuus, määrittävät suuren osan valmiin paperin ominaisuuksista.

"Kuitutason mittausten tekeminen on kuitenkin hidasta ja haastavaa, sillä se edellyttää mikroskooppisten kuitujen käsittelyä ja kiinnittämistä mittalaitteistoon", kertoo Hirvonen.

Paperikuitututkimuksen avuksi tulee mikrorobotiikka. Mikrorobotiikka tarkoittaa pienen mittakaavan robotiikkaa, jossa toimilaitteet kykenevät käsittelemään kokoluokaltaan alle millimetrin osia. Sillä on lukuisia sovelluksia pienikokoisten laitteiden kokoonpanossa, nanomateriaalien käsittelyssä ja solututkimuksessa.

Nyt TTY:n mikro- ja nanosysteemitekniikan tutkimusryhmä, johon Hirvonen kuuluu, on osoittanut mikrorobotiikan käyttökelpoisuuden myös paperikuitututkimuksessa.

Tyypilliseen mikrorobotiikkajärjestelmään kuuluu osien käsittelyyn suunnattuja laitteita, kuten motorisoituja pinsettejä muistuttavia tarraimia, sekä motorisoitu näytetaso, jolla osat tuodaan toimilaitteiden toiminta-alueelle.

Lisäksi on yksi tai useampi mikroskooppiin liitetty kamera, joka välittää videokuvaa toimenpiteestä.

"Ryhmän kehittämän laitteiston avulla on pystytty mittaamaan yksittäisten kuitujen taipuisuutta sekä yksittäisten kuitusidosten sidoslujuutta. Mittausten tekeminen on tosin edelleen haastavaa, ja yksittäiset kokeet vievät kokeneeltakin käyttäjältä useita tunteja."

Laitteiston automatisointi onkin osoittautunut välttämättömäksi. Pieniin teollisesti valmistettuihin osiin verrattuna luonnonkuidut ovat kuitenkin hankalia käsitellä. Siinä missä teollisesti valmistettujen osien muoto ja mitat ovat työskentelyn avuksi tiedossa etukäteen, luonnonkuitujen muoto ja mitat vaihtelevat suuresti ja ennalta arvaamattomasti.  

Hirvosen kehittämien konenäkömenetelmien avulla voidaan selvittää automaattisesti kuitujen 2D- tai 3D-geometria ja laskea niistä sopivat tarraamiskohdat.

"Menetelmien avulla voitiin käsitellä automaattisesti yksittäisiä paperikuituja sekä rikottiin ensimmäisenä maailmassa automaattisesti kahden paperikuidun muodostamia sidoksia."

Juttu on Tampereen teknillisen yliopiston tiedote hieman editoituna.

Kone näkee nyt metsän puut ja pystyy tunnistamaan puulajit automaattisesti

Tampereen teknillisen yliopiston matematiikan laboratorion ja Luonnonvarakeskuksen (Luke) yhteistutkimuksessa kehitettiin uusi menetelmä puulajien tunnistamiseen laserkeilausaineistosta. Sen avulla on mahdollista laskea luokitteluominaisuuksia täysin automaattisesti.

Menetelmää voidaan soveltaa tulevaisuudessa hakkuiden yhteydessä tehtävässä automatisoidussa puuston mittaamisessa ja korjattavien puiden valinnassa sekä katkonnan optimoinnissa.  

"Menetelmä mahdollistaa myös metsäekologisessa tutkimuksessa tarvittavien puulajeja ja niiden latvusten kilpailusuhteita koskevien kattavien aineistojen tehokkaan mittaamisen", johtava tutkija Raisa Mäkipää Lukesta kertoo.

Kattavat puumallit uuteen käyttöön

Puulajintunnistuksessa käytetään TTY:llä aiemmin kehitettyä menetelmää, jossa metsikkötason pistepilvidatasta pystytään automaattisesti erottelemaan yksittäiset puut ja rekonstruoimaan latvuksen rakenne kattavina 3D-malleina. Menetelmällä tuotetut puumallit koostuvat peräkkäisistä sylintereistä, jotka määrittävät puun rungon ja oksien rakenteen sekä oksien väliset haarautumissuhteet.

"Aiemmin puu on pystytty jakamaan pistepilvestä karkeasti runkoon ja latvukseen", sanoo tutkimusryhmän jäsen, tutkija Markku Åkerblom TTY:ltä. 

"Nyt päästään yksittäisten oksien tasolle ja voidaan analysoida niiden läpimittoihin, tilavuuksiin ja oksakulmiin liittyviä ominaisuuksia."

Tutkijat määrittelivät lajintunnistusta varten 15 luokitteluominaisuutta, joiden arvo laskettiin kullekin puulle. Osa ominaisuuksista on täysin uusia ja osaa on käytetty aiemmissa tutkimuksissa. Uutta on, että nyt niiden arvo pystytään laskemaan tarkemmin ja entistä kattavammasta aineistosta, kun käytössä on tieto puun koko latvuksesta.

Tarkka lajintunnistus mahdollista

Tutkimuksessa testattiin kolmea eri luokittelumenetelmää. Mukana olivat Suomen yleisimmät puulajit koivu, mänty ja kuusi.

"Tulostemme mukaan automaattinen lajintunnistus on mahdollista jopa yli 95 prosentin tarkkuudella", jatkaa Åkerblom. 

"Tarkoituksena ei ollut löytää parasta mahdollista ominaisuusyhdistelmää, vaan ainoastaan osoittaa, että tarkkoihin puumalleihin perustuva luokittelu on mahdollista. Useat yhdistelmät kuitenkin tuottivat hyviä tuloksia ja myöskin kaikki luokittelumenetelmät ylsivät yli 95 prosentin tarkkuuden. Tulokset osoittivat myös, että luokittelun opetusaineistoksi riittää vain 30 puuta per laji." 

Kehitettyä menetelmää testataan jatkossa useammalla puulajilla ja monimuotoisemmista metsistä saaduilla mittauksilla. Laserkeilausdatasta laskettuja puumalleja on mahdollista tallentaa tietokantaan, jota voidaan näytteiden määrän kasvaessa hyödyntää entistäkin tarkemmassa lajintunnistuksessa.

Automatic tree species recognition with quantitative structure models -tutkimus julkaistiin Remote Sensing of Environment -julkaisussa. Kyseessä on kaukokartoitusalan tunnustettu julkaisu, joka keskittyy luontoon ja ympäristöön liittyviin sovelluksiin.

Juttu, jota on toimitettu hieman, ja video ovat Tampereen teknillisen yliopiston tiedotuksen toimittamia.