”Kokeellisen tutkijan kannattaa epäonnistua systemaattisesti, jotta tietää, mikä ei ainakaan toimi. Se tarkoittaa sinnikästä testailua ja uteliaisuutta uusien ratkaisujen löytämiseksi”, sanoo tutkijatohtori Ville Laitinen.
Laitinen kehittää uusia tapoja valmistaa älykkäitä materiaaleja, jotka voivat muuttaa muotoaan magneettikentän vaikutuksesta. Näillä magneettisilla muistimetalleilla, (MSM-seokset, englanniksi magnetic shape memoryalloys), voidaan luoda osia esimerkiksi biolääketieteen mikropumppuihin, robotteihin ja venttiileihin.
MSM-seokset voivat muuttaa muotoaan sekä tuottaa venymää ja liikettä magneettikentän vaikutuksesta.
“Tuloksemme ovat uusinta uutta: olemme ensimmäisenä maailmassa valmistaneet toiminnallisia MSM-rakenteita 4D-tulostamalla. Yhdessä yhteistyökumppaneidemme kanssa tutkimusryhmämme on tällä hetkellä alan johtavia toimijoita maailmassa”, Laitinen kertoo.
Laitinen jatkaa LUTin fysiikan professori Kari Ullakon tekemää pioneerityötä. Ullakko kehitti magneettisen muistimetallin 1990-luvulla maineikkaassa teknillisessä korkeakoulussa MIT:ssa (Massachusetts Institute of Technology).
”Jos on nähnyt Terminator-elokuvia, niistä saa käsityksen siitä, mitä teemme. Olemme näyttäneet itsekin klippejä kyseisistä elokuvista konferenssiesitysten yhteydessä sekä opettaessamme omia opiskelijoitamme. Vaikka muotoaan muuttavat T-1000-terminaattorit ovat fiktiota, ne kuvaavat osuvasti MSM-seosten kehityksen tavoitetta: korvata perinteiset monimutkaiset mekaaniset kokoonpanot älykkäällä materiaalilla pienissä liikettä tuottavissa laitteissa”, Laitinen sanoo.
Harvinainen kunnia: kutsu Nuorten Tiedeakatemiaan
Laitinen kutsuttiin hiljan neljäntenä luttilaisena Nuorten Tiedeakatemiaan. Nuorten Tiedeakatemia on uransa varhaisessa vaiheessa olevien tutkijoiden yhteisö, joka haluaa vahvistaa tieteen asemaa yhteiskunnassa.
”Onhan tämä mielenkiintoinen tilaisuus. Pääsen verkostoitumaan luonnontieteiden tutkijana monien eri alojen tutkijoiden kanssa, ja saan toivottavasti uusia näkökulmia omaan tutkimukseeni. Jäsenyys antaa myös loistavan mahdollisuuden tehdä yhteistyötä muiden jäsenten kanssa tieteen edistämiseksi ja yhteiskunnallisen merkityksen vahvistamiseksi.”
Laitinen suhtautuu kunniaan jalat maassa -asenteella. Tutkija on Laitisen mielestä tavallaan aina töissä – aivot pohtivat lähes koko ajan käsillä olevaa ongelmaa.
”Jos joku harkitsee tätä alaa, kannattaa opiskella viimeistään lukioiässä luonnontieteen perusteet hyvin. Kun opettelee matematiikan, kemian ja fysiikan perusteet kunnolla, saa hyvän perustan koko uraa ajatellen.
"Luonnontieteiden lainalaisuudet eivät pääsääntöisesti muutu vuosikymmenten saatossa.”
Myös kädentaidot ovat materiaalitutkimuksessa tarpeen. Laitinen itse tekee vapaa-ajalla esimerkiksi puukkoja, koruja ja vaellusvarusteita. Koska tutkijan työ vaatii ajoittain paljon tietokoneen ääressä istumista, on käsien hienomotoriikkaa hyvä ylläpitää jollain tavalla myös vapaa-ajalla. Harrastukset myös tukevat työ- ja vapaa-ajan tasapainoa ja edesauttavat palautumista.
”Tutkimustiimini kaikki jäsenet tekevät tutkimusta laboratorioympäristössä – sovelletun fysiikan tutkimus ei tapahdu vain tietokoneen äärellä. Kokeellinen tutkimus on erinomainen tapa ymmärtää ilmiöitä syvällisemmin, oppia uutta ja hahmottaa miten asiat tehdään käytännössä.”
Laitisen MSM-tutkimus
- Tutkimustiimissä työskentelevät 4D-tulostuksen parissa aktiivisesti Ville Laitinen, tohtoriopiskelija Meysam Norouzi Inallu ja professori Kari Ullakko.
- Tutkimusta on rahoitettu pääasiassa Suomen Akatemian rahoituksella (projektit, STN rahoitus) ja LUTin sisäisellä rahoituksella (AMBI-tutkimusalusta). Yhteistyökumppanit ulkomailta ovat tukeneet tutkimusta omalla rahoituksellaan (EU, DSTL).
- Kansainvälistä yhteistyötä on tehty muun muassa Birminghamin yliopiston (UK), Pittsburghin yliopiston (USA), University College Londonin (UK) sekä Paul Scherrer Instituutin (Sveitsi) kanssa.
- Laitisen unelma olisi kehittää täysin 4D-tulostettu MSM-pohjainen mikrolaite, jossa aktuaattori, runko, anturit sekä ohjaava elektroniikka – mukaan lukien kelat tai sähkömagneetit – valmistetaan yhtenä kokonaisuutena. Tavoitteena olisi luoda aidosti integroitu, älykäs ja toimintavalmis rakenne yhdellä valmistusprosessilla.
Tutkimus käyttää kriittisiä materiaaleja, mutta viisaasti
Perinteisillä erilliskiteisillä MSM-elementeillä on jo joitain teollisia sovelluksia, mutta 4D-tulostettujen laitteiden osalta puhutaan vielä noin vuosikymmenen aikajänteestä. Laitinen arvelee, että ensimmäiset 4D-tulostetut MSM-sovellukset tulevat todennäköisesti olemaan yksittäisiä, tutkimuskäyttöön tarkoitettuja laitteita tai demonstraatioita, todennäköisesti robotiikan alalla.
”Kehitettävän sovelluksen valinnalla on merkitystä: esimerkiksi lääketieteessä, jos haluaa kehittämänsä laitteen yleiseen käyttöön asti, todistuspohja laitteen toiminnasta vaatii merkittäviä taloudellisia panostuksia, jotta päästään maaliin asti. Jauhe maksaa 10 000 euroa kilo. Se karsii helposti pienemmät toimijat kisasta", Laitinen avaa.
Jos jauheelle saataisiin teollinen valmistaja, hinta voisi tippua 40–80 euroon kilolta.
MSM-teknologian käytössä etenkin raaka-aineiden saatavuus voi vaikeutua. Esimerkiksi typpilisten MSM-seosten valmistuksessa vaadittavat nikkeli, mangaani, gallium sekä tietyt platinaryhmän metallit ovat EU:n kriittisten materiaalien listalla, joten niiden saatavuus voi tulevaisuudessa olla rajallista ja toimitusketjut herkkiä.
Lisäksi MSM-seosten valmistus edellyttää erittäin puhtaita (jopa 7N-luokan) raaka-aineita, mikä lisää prosessin energiankulutusta ja hiilijalanjälkeä. Tämän vuoksi uusien MSM-seosten kehittäminen on aktiivinen ja kansainvälisesti suosittu tutkimusaihe.
”Sovellusten kannalta MSM-materiaalit ovat kuitenkin energiatehokkaita: ne kuluttavat sähköä vain hetkellisesti aktivoituessaan, eivät jatkuvasti."
Kestävyys voi parantua merkittävästi, jos materiaalien käyttöä ja valmistusprosesseja optimoidaan – esimerkiksi korvaamalla monimutkaisia mekaanisia järjestelmiä yksittäisellä älymateriaaliin perustuvalla aktuaattorilla.
Lisäksi 4D-tulostus mahdollistaa monimutkaisten rakenteiden valmistuksen ilman monivaiheista kokoonpanoa ja voi vähentää materiaalihukkaa, mikä tukee kestävän valmistuksen tavoitteita.
”Voimme tutkimuskäytössä kierrättää samaa materiaalia uudelleen tulostamisessa jopa 3–8 kertaa, vähän materiaalista ja lopputuotteesta riippuen."
"Tietysti, kuten kaikkien keksintöjen kohdalla, jos tästä materiaalista tulee hyvin suosittu, sen ympäristökuorma kasvaa. Me emme ole vielä siinä pisteessä, mutta erilaiset eettiset pohdinnat seuraavat tutkijaa kaikkialle.”
Lisätietoja:
