Tutkimus

Tampereen yliopistoon 11 luonnontieteiden ja tekniikan akatemiahanketta

värillisiä neliön muotoisia palasia lokerikossa
Suomen Akatemian luonnontieteiden ja tekniikan tutkimuksen toimikunta on myöntänyt Tampereen yliopiston tutkijoille kaikkiaan 11 akatemiahanketta.

Toimikunta myönsi rahoituksen kaikkiaan 78 akatemiahankkeelle, joissa on 102 osahanketta. Toimikunta rahoittaa akatemiahankkeita yhteensä 45,7 miljoonalla eurolla.

Kansainväliset asiantuntijat arvioivat peräti 46 prosenttia kaikista toimikunnalle osoitetuista hankehakemuksista erinomaisiksi (kokonaisarvosana 6 tai 5). Valtaosa arvosanan 6 saaneista hankkeista rahoitettiin, mutta arvosanan 5 saaneista hankkeista pystyttiin rahoittamaan vain 13 prosenttia.

Erinomaisiksi arvioiduista osahankehakemuksista 18 prosenttia oli nuoren tutkijasukupolven hakijoilta ja rahoitettaviksi valituista osahankkeista näiden osuus oli puolestaan 34 prosenttia. Toimikunta rahoitti nuoren tutkijasukupolven osahankkeita yhteensä 16,5 miljoonalla eurolla, josta 9,25 miljoonaa euroa oli nuorelle tutkijasukupolvelle suunnattua erityisvaltuutta.

Ennakkovaroitus sydämen rytmihäiriöistä

Sydämen rytmihäiriöt ovat sydämen rytmissä esiintyviä poikkeamia, jotka voivat johtaa lisääntyneeseen sairastuvuuteen ja äkillisiin sydänperäisiin kuolemiin.

Sydämen rytmin monitoroinnissa tärkein työkalu on elektrokardiogrammi. Nykyiset sydänmonitorointijärjestelmät käyttävät aiemmin mitattuja rytmipoikkeamia luokittelijan kouluttamiseen. Luotettavaa ratkaisua poikkeamien havaitsemiseen terveiltä henkilöiltä, joilla ei ole ollut aiempia oireita, ei ole saatavilla.

Tietotekniikan professori Moncef Gabbouj’n akatemiahankkeessa ehdotetaan uraauurtavaa ennakkovaroitusjärjestelmää, joka hälyttää jo ensimmäisten rytmipoikkeamien alkaessa. Tutkimuksessa hyödynnetään useiden tieteenalojen tekniikoita. Tavoitteena on korkea  luokittelutarkkuus marginaalisen pienellä väärien hälytysten osuudella. Tämä johtaa mullistaviin tuloksiin ja uudistuksiin sydämen rytmihäiriöiden aikaisessa havaitsemisessa.

Ultranopea kuvantaminen räätälöidyllä sähkömagneettisella säteilyllä

Itä-Suomen yliopiston professori Jari Turusen ja Tampereen yliopiston optiikan professori Goery Gentyn projekti ULTIMATE hyödyntää uusimpia tutkimustuloksia ultranopean optiikan, epälineaarisen optiikan, koherenssikontrollin, ja laserpulssien reaaliaikaisen mittauksen alueilla.

Projektin tarkoitus on täyttää syvä kuoppa, joka tällä hetkellä vallitsee olemassa olevassa teknologiassa: kehittää uusi lähestymistapa kehittää ultranopeiden ilmiöiden kuvantamiseksi femtosekunti-aikaskaalassa tarkalla resoluutiolla erityisesti lähi-infrapuna alueessa.

Projektin tulosten oletetaan johtavan merkittäviin läpimurtoihin monilla teknologian aloilla, esim. lääketieteellisessä kuvantamisessa, ympäristön tilan arvioinnissa ja elintarviketeollisuudessa.

Joustava hajautettu optimointi kyberfysikaalisille järjestelmille

Viimeaikainen kehitys verkko- ja informaatioteknologiassa, kuten esineiden internet, tuo mukanaan suuren potentiaalin kaupunkien ja yhteisöjen kehittämiseen. Näitä teknologioita voidaan integroida infrastruktuuriin palvelujen tehokkuuden parantamiseksi ja ympäristövaikutusten minimoimiseksi tuottaen erilaisia sovelluksia, kuten älykkäitä liikenne- ja energiajärjestelmiä sekä älytehtaita.

Esineiden internetin yhdistäminen fyysisiin systeemeihin kyberfysikaalisiksi järjestelmiksi kuitenkin altistaa ne kyberhyökkäyksille, kuten Ukrainassa sähköverkkoon vuonna 2015 kohdistunut kyberhyökkäys, joka aiheutti kuuden tunnin katkoksen sähkönjakelussa ja vaikutti satoihin tuhansiin asiakkaisiin.

Tenure track -tutkija Azwirman Gusrialdin projektin tavoitteena on kehittää skaalattava kontrollialgoritmi tämän kaltaisten älyjärjestelmien toiminnan turvaamiseksi fyysisten uhkien ja kyberhyökkäyksien aikana. Tämän kaltainen turvajärjestelmä on olennainen osa erilaisten älyjärjestelmien ja niihin liitettyjen yhteisöjen kehittämistä ja toteuttamista.

Energiatehokkuutta käskypohjaiseen laskentaan uusia muistiteknologioita hyödyntäen

Muistinkäsittely aiheuttaa tyypillisesti suurimman osan tehohävikeistä tietokoneissa. Tehokkaampia muistitekonologioita tutkitaan aktiivisesti, mutta toistaiseksi uudet muistiteknologiat lupaavat tehokkaampaa toteutusta, mutta kärsivät rajoitteista, kuten heikosta kirjoituskestävyydestä tai vaikeammasta saavutettavuudesta. Ohjelmistoilla ohjattavat suorittimet lukevat datan lisäksi käskyjä muistista, mikä lisää muistihakujen osuutta tehohävikeissä.

Ohjelmistotekniikan tenure track -tutkija Pekka Jääskeläisen hankkeessa keskitytään muistihierarkian aiheuttamien muistihakujen aiheuttamien tehohävikkien minimointiin kehittämällä uusia teknologioita tulevaisuuden muistien tehokkaaseen hyödyntämiseen käskyvirtojen toteuttamiseen.

Tulokset hyödyttävät tietokonemaailmaa laajasti pienistä IoT-laitteista palvelinkeskuksiin. Myös ekologiset ja ekonomiset vaikutukset voivat olla suuria, sillä jatkuvasti kasvava osuus kasvihuonepäästöistä aiheutuu tietotekniikan laajasta käytöstä jokapäiväisessä elämässä.

Ainutlaatuisesti suunnitellut vaihtelevan huokoskoon toiminnalliset bioaktiiviset tukirakenteet kovan kudoksen regeneraatioon

Vuosittain tehdään 12-18 miljoonaa hammasimplanttileikkausta ja yli 2 miljoonaa luunsiirtoleikkausta. Hammassovelluksissa käytetään yleisimmin titaani (Ti)-implantteja ja luunsiirroissa autografteja. Titaanin käyttäminen voi aiheuttaa implantin hylkimisreaktion, allergioita ja Ti-partikkelien irtoamista. Autograftien käyttöön liittyy usein kipua, arpeutumista, verenhukkaa ja luovutuskohdan sairastuvuutta. Uusille biomateriaaleille on siis tarvetta.

Tenure track -professori Jonathan Masseran UNIBIO-projektissa kehitetään uusi implantti. Tarkoituksena on, yhdistäen materiaalitieteitä, fotoniikkaa ja biologiaa, suunnitella uusi implantti, jolla on hyvät mekaaniset ominaisuudet ja joka voidaan täyttää kantasoluilla edistämään uuden kudoksen muodostumista. Tukirakenne emittoi valoa aallonpituudella, joka johtaa varhaiseen solujen erilaistumiseen.

Tuloksena on tukirakenne, joka saa aikaan luukudoksen jälleenrakennusta aiheuttamatta tulehdusta tai vapauttamatta allergeenejä, rajoittaen täten terveydenhuollon kustannuksia.

Älykkäät sähkömekaanisten energiajärjestelmien kunnonvalvontamenetelmät

Anouar Belahcen ja Alex Jung Aalto-yliopistosta, Janne Keränen Teknologian tutkimuskeskus VTT:stä sekä Tatiana Minav Tampereen yliopistosta muodostavat ESTV-konsortion, joka kehittää nykyaikaisia tekoälypohjaisia menetelmiä sähkömekaanisten energianmuuntojärjestelmien eli voimansiirtojärjestelmien kunnonvalvontaan. Näiden voimansiirtojärjestelmien turvallisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi on tärkeää tunnistaa niiden alkava viallinen toiminta hyvissä ajoin.

Hankkeessa tuotetaan synteettistä rikastettua dataa käytettäväksi tekoälyalgoritmien opettamiseen. Nämä algoritmit yhdistävät eri sovellusalueiden dataa ja hyötyvät oppimisen siirtomenetelmistä.

Projektin odotetaan tuottavan uutta tietoa siitä, kuinka tekoälyä voidaan hyödyntää optimaalisesti sähkömekaanisissa energiamuuntojärjestelmissä.

Topologiset keinoaineet

Topologiset kvanttiaineet ovat viime aikoina löydettyjä tiiviin aineen olomuotoja, joissa aineen kvanttimekaaninen luonne ilmenee hyvin poikkeuksellisina makroskooppisina ominaisuuksina. Topologiset aineet voivat esiintyä metalleina, eristeinä tai suprajohteina, jotka mahdollistavat esimerkiksi häviöttömän sähkön ja lämmön virtauksen, tiettyihin arvoihin kvantisoidun johtavuuden, epätavallisia magneettisia ominaisuuksia sekä eksoottisia mikroskooppisia viritystiloja.

Laskennallisen fysiikan tenure track -professori Teemu Ojasen projektissa esitetään teoreettisesti, kuinka uusia topologisia rakenteita voi toteuttaa keinotekoisesti yhdistämällä magneettisia, suprajohtavia ja spin-rata-kytkeytyneitä materiaaleja.

Lisäksi projektissa tutkitaan, kuinka ehdotetut keinotekoiset topologiset materiaalit mahdollistavat uudenlaisia nanoelektroniikan ja kvanttiteknologioiden sovelluksia sekä korkeaenergiafysiikan kvantti-ilmiöden tutkimuksen tiiviin aineen systeemeissä.

Lisäävällä valmistuksella tuotettujen sähkökoneen rautasydänten moniskaalaoptimointi

Maailman, ja eritysesti liikenteen, sähköistyminen vaatii energia-, materiaali- ja kustannustehokkaampia ratkaisuja sähköenergian muokkaukseen. Lisäävä valmistus, eli 3D-tulostus, avaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia sähkökoneissa magneettikenttien ohjaukseen käytettävien rautasydänten pienentämiseksi ja niiden suorituskyvyn parantamiseksi.

Akatemiatutkija Paavo Rasilon johtama konsortio yhdistää Tampereen yliopiston osaamisen magneettisten materiaalien mallinnuksesta Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n osaamiseen lisäävästä valmistuksesta ja tähtää innovatiivisten rautasydänten kehittämiseen sähkökonesovelluksia varten.

Projektissa ratkotaan komposiittien 3D-tulostukseen, materiaaliominaisuuksien räätälöintiin, tehohäviöiden mallinnukseen ja sähkökoneiden optimointiin liittyviä tutkimushaasteita. Lopuksi valmistetaan toimiva sähkömoottoriprototyyppi, jolla konseptin toimivuus todennetaan.

Energiatehokas mobiiliradioverkko: menetelmät ja optimointi

Palveluiden ja yhteiskunnan digitalisaatiokehitys ja kaiken internet vaativat yhä kattavampia ja tehokkaampia langattomia yhteyksiä. Kasvavat liikennemäärät vaativat suurempia kaistanleveyksiä ja suurien antenniryhmien käyttöä. Toisaalta kestävä kehitys ja energian säästäminen edellyttävät langattoman tietoliikenteen ja verkkojen toiminnan energiatehokkuuden parantamista kokonaisella kertaluokalla.

Tietoliikennetekniikan professori Mikko Valkaman projektin tavoitteena on kehittää uutta tieteellistä tietoa ja uusia teknologiaratkaisuja mahdollistamaan tulevien verkkojen fyysisen ja linkkikerroksen sekä niihin liittyvien lähetinvastaanottimien ja resurssien jaon toteutus ja energiatehokkuuden optimointi tulevaisuuden 5G/6G mobiiliverkoissa. Kehitettäviä tekniikoita sovelletaan käytäntöön ja siirretään liiketoimintakäyttöön yhteistyössä yrityskumppanien kanssa.

Hankkeen tärkeimmät kansainväliset yhteistyökumppanit ovat Kalifornian yliopisto Santa Barbarassa, Luxemburgin yliopisto ja Weissman Instituutti.

Luotettava elastinen elektroniikka

Venyvä elektroniikka on uusi elektronisten järjestelmien luokka. Järjestelmät ovat tyypillisesti hyvin ohuita, suurikokoisia, venytyksen kestäviä, kaareville pinnoille muotoutuvia ja edullisia valmistaa.

Nykyisin teknologian luotettavuus ei ole niin hyvä, että sitä voisi käyttää tyypillisissä käyttökohteissa. Elektroniikan professori Jukka Vanhalan projektin tavoite on parantaa teknologian luotettavuutta huomattavasti.

Venyvä elektroniikka suunnitellaan niin, että siinä on pieniä jäykkiä alueita, komponenttisaarekkeita, joustavalla elastomeerikalvolla. Tutkimus on päätynyt kolmeen hyväksi havaittuun menetelmään. 1) Järjestemät rakennetaan ohuen venyvän elastomerikalvon päälle. 2) Alue jaetaan jäykkiin saarekkeisiin, joille toiminnallinen elektroniikka sijoitetaan. Ja 3) saarekkeiden väliin jää joustava alue, jolle tehdään venyviä johtimia. Projekti tutkii ongelmia näiden kolmen keskinäisessä yhteensopivuudessa.

Vaatteisiin integroitu käyttöliittymä ja sovellukset

ClothFace-projekti mullistaa ihmisen ja maailman vuorovaikutuksen muuttamalla jokapäiväiset vaatteet älykkäiksi käyttöliittymiksi, jotka käyttävät kännykkää digitaalisena porttina ympäröivään maailmaan.

Akatemiatutkija Johanna Virkin projektin ansiosta tulevaisuuden vuorovaikutus perustuu yksinkertaisiin ja luonnollisiin käden liikkeisiin vaatteiden pinnalla. Vaatteisiin integroitu käyttöliittymä pohjautuu radiotaajuiseen tunnistustekniikkaan. Se on edullinen valmistaa, pestävä ja saa kaiken tarvitsemansa energian kännykältä.

Projektin aikana luodaan monitieteisen yhteistyön avulla ensimmäiset prototyypit useille sovellusalueille ja tuotetaan aivan uudenlaista suunnittelutietoa ja -osaamista puettaville käyttöliittymille. Projektissa luotujen visuaalisten materiaalien ansiosta tulokset ovat helposti tutkijoiden ja yritysmaailman hyödynnettävissä.

Suomen Akatemian tiedote 16.6.2020