Ladataan
Pääaiheet 100 tuoreinta Live Uutiset Urheilu Hyvä elämä Kulttuuri Tähtijutut Moro Näköislehti Mielipiteet

Tutkijat tekivät Tampereella uskomattoman tempun – kouluttivat elottoman materiaalin oppimaan samoin kuin koira oppii

Tampereen yliopiston tutkijat ovat opettaneet elotonta materiaalia samaan tapaan kuin voidaan opettaa ihmisiä tai eläimiä. Uraauurtavassa tutkimuksessa piskuiset polymeerirobotit opetettiin ehdollistamalla liikkumaan ja tarttumaan kappaleisiin. Robotit siis oppivat aiemmin kokemansa perusteella. – Toivon, että tämä työ auttaa näkemään elottomat materiaalit uudessa valossa, tutkimusryhmää Tampereen yliopiston Hervannan kampuksella johtava Arri Priimägi sanoo. Katso videolta, kuinka piskuinen polymeerirobotti etenee, kun sitä on ensin opetettu kävelemään valon ja lämmön avulla ehdollistamalla: Kokeessa hyödynnettiin samaa menetelmää kuin venäläisen Ivan Pavlovin 1800-luvun lopulla tekemissä kuuluisissa koirakokeissa. Kokeissa koirat ehdollistettiin kuolaamaan jo siinä vaiheessa, kun ne kuulivat ruoka-aikaa ennakoivan kellon soivan. Oppiminen yhdistetään yleensä eläviin olentoihin. Kokeessa liikkeelle lähdettiin kysymyksestä: voivatko myös elottomat materiaalit oppia? – Meillä kaikilla on jonkinlainen ajatus siitä, mitä oppiminen on. Me halusimme selvittää, mitä oppiminen yksinkertaistetussa mielessä tarkoittaa elottomissa materiaaleissa. Halusimme nähdä, pystymmekö kontrolloimaan materiaalin ominaisuuksia niin, että se jäljittelee oppimista tavalla tai toisella, Priimägi sanoo. Priimägin mukaan vastaavaa on tehty aikaisemmin solupohjaisilla, siis elävillä systeemeillä. Myös elektronisilla piireillä samanlaisia kokeita on tehty, mutta piirejä on ohjattu tietokoneen avulla. – Tekoäly saadaan oppimaan ohjelmoimalla ja algoritmeilla. Meidän tutkimuksessamme tietokoneohjausta ei käytetty. Materiaali ehdollistettiin oppimaan valon ja lämmön avulla kuin Pavlovin koirat, Priimägi sanoo. Tutkimus julkaistiin keskiviikkona Matter -lehden verkkojulkaisussa. Tutkimus on tehty yhteistyössä Aalto-yliopiston tutkijoiden kanssa. Ajatus tutkimuksen psykologisesta lähestymistavasta on lähtöisin Aalto yliopiston professorilta Olli Ikkalalta . Tärkeässä roolissa työssä olivat Tampereen yliopiston tutkijatohtori Hao Zeng ja tutkijatohtori Hang Zhang Aalto-yliopistosta. Elokuussa sama tiimi julkaisi tutkimuksen, jossa esiteltiin toisenlainen, pääosin Aallossa tuotettu geelipohjainen materiaali, jota oli myös opetettu ehdollistamalla. Tuon tutkimuksen julkaisi Nature Communications . – Uudessa työssä sama konsepti on viety valo-ohjattavaan robotiikkaan. Keskeinen osa ehdollistamisprosessia ovat valon ja lämmön lisäksi Tampereella laajalti tutkimamme valo-ohjattavien materiaalien käyttäytymiseen vaikuttavat molekyylikytkimet, Priimägi sanoo. Lue lisää: Optinen koura tarttuu ja nostaa pelkän valon voimalla - salaisuus piilee millimetrin miljoonasosan kokoisissa kytkimissä Näin temppu tehtiin Seuraavassa kuvasarjassa näytetään vaihe vaiheelta, kuinka polymeerirobottia ehdollistettiin ja kuinka se oppi kävelemään. – Kun valo osuu kalvoon, se taipuu. Kun valo sammuu, kalvo suoristuu. Pulssitetun valon avulla liike toistuu, ja pehmytrobotti ikään kuin kävelee eteenpäin, Priimägi sanoo. Valon ja lämmön sekä sopivan muistielementin avulla aikaansaadun ehdollistamisen avulla robotti on oppinut tekemään jotakin, mitä se ei ole aikaisemmin osannut tehdä. – Tämä on hyvin yksinkertaistettua oppimista, jonka logiikka on tietyin reunaehdoin sama kuin Pavlovin koirakokeessa. Saman logiikan osoitettiin toimivan myös pienillä polymeerikourilla, jotka opetettiin tarttumaan vain tietyn värisiin kappaleisiin. Kaksi ärsykettä ja muisti Uudessa tutkimuksessa on otettu iso askel materiaalien toiminnallisuuden lisäämiseksi, kun elottomat polymeerirobotit ehdollistettiin liikkumaan ja tarttumaan valon ja lämmön avulla. – Ajatus oli hakea hyvin yksinkertainen luonnossa esiintyvä oppimisprosessi, ja matkia prosessia elotonta materiaalia ehdollistamalla. Sen olemme nyt tehneet. Tosin konseptimme on hyvin yksinkertainen biologisiin oppimisprosesseihin verrattuna ja toimii vain tietyissä olosuhteissa, Priimägi sanoo. Jotta ehdollistaminen toimii, materiaalin on reagoitava vähintään kahteen ärsykkeeseen. – Pavlovin koirakokeissa ärsykkeitä olivat ruoka ja kello. Meillä kelloa vastasi valo ja ruokaa lämpötilan nosto, Priimägi selittää. Jotta ehdollistaminen toimii, tarvitaan myös muistielementti, joka yhdistää lämmön ja valon toisiinsa. Geelipohjaisessa materiaalissa muistielementtinä käytettiin geelin sisällä olevia pienen pieniä kultapalloja. Kun geeliä ehdollistamisen aikana lämmitettiin ja valaistiin yhtä aikaa, kultapallot muodostivat erilaisten kemiallisten prosessien seurauksena ketjuja. Tampereen kokeessa muistielementtinä ovat polymeerikalvon pinnalla olevat miljoonat molekyylikytkimet. Kalvon pinnalla ollessaan, kytkimet eivät vaikuta siihen, mitä materiaali tekee. Kun kalvoon kohdistetaan ehdollistamisprosessissa lämpöä ja valoa samanaikaisesti, molekyylikytkimet siirtyvät materiaalin pinnalta materiaalin sisään. Silloin valorobotti vaihtaa väriä ja aktivoituu. Toimintaansa muuttavat pinnat Ehdollistaminen avaa uusia näkymiä valo-ohjattavien robottien kehittämiseen. – Materiaali kehittyy, kun sille pystytään opettamaan uudella tavalla jotakin, mitä se ei ole alun perin osannut tehdä, Priimägi sanoo. Tampereen kokeessa ehdollistamista käytettiin robotiikassa, mutta samaa menetelmää on mahdollista hyödyntää myös muissa kohteissa. – Tulevaisuudessa voidaan mahdollisesti luoda esimerkiksi pinnoitusmateriaaleja, jotka muuttavat toimintaansa ehdollistamisen seurauksena, Priimägi sanoo. Ehdollistaminen ei ole sidoksissa vain nyt toteutettuun koeasetelmaan. Opettaa voidaan valon ja lämmön yhteisvaikutuksen lisäksi myös muilla ärsykkeillä. – Tulevaisuudessa lämpö voidaan korvata ehkä sähkö- tai magneettikentällä. Se avaisi mahdollisuuden hakea aivan uudenlaisia toiminnallisuuksia materiaaleihin, Priimägi sanoo. Priimägin mukaan sovelluksiin, joissa oppivia materiaaleja käytetään, on vielä pitkä matka. Tämä on vasta ensimmäinen esimerkki. – Uskon, että jatkossa pääsemme myös monimutkaisempiin kokeisiin. Niissä yhdistyvät materiaalien ohjelmoitavuus ja oppiminen. Priimägi itse odottaa innolla myös sitä, miten uusi tutkimus otetaan vastaan muiden kuin saman alan tuntijoiden keskuudessa. – Olisi mielenkiintoista kuulla, mitä mieltä oppimisen tuntijat, psykologit ja neuropsykologit ovat siitä, voiko eloton materiaali oppia ja mitä se voi oppia? Mitä heille nousee mieleen näistä kehittämistämme pavlovilaisista materiaaleista?