Laskennalliset menetelmät uudistavat patologiaa

14.4.2021/Text: Kimmo Kartasalo

Alaa tuntemattomalle patologia ei välttämättä tule aivan ensimmäisenä mieleen laskennallisten menetelmien ja tekoälyn kuumana sovelluskohteena. Kieltämättä allekirjoittaneellekin olisi teekkarivuosina tullut mieleen supertietokoneiden ja oppivien algoritmien sijaan ennemmin rikossarjojen kuvastosta tutut kelmeässä valossa uurastavat luusahat. Laskennallista patologiaa koskevaa väitöskirjatutkimusta tehdessä mielikuva on muuttunut rajusti – patologia jos mikä on ”isoa dataa” tuottava digitaalinen ala.

Digitointi tuottaa suuria kuva-aineistoja

Kudosnäytteiden patologinen analyysi on välttämätöntä monien sairauksien, kuten syöpien, diagnosoinnille. Kuten aiemmassa blogitekstissäni kirjoitin (https://tekniikanedistamissaatio.fi/tekoaly-auttaa-patologia/), perinteisesti patologiset näytteet on analysoinut alaan erikoistunut lääkäri mikroskoopin avulla. Patologin silmämääräisen arvion perusteella muodostetaan potilaan diagnoosi ja päätetään edelleen tarvittavasta hoidosta. Skannaamalla mikroskooppilasit korkean resoluution digitaalisiksi kuviksi niitä voidaan perinteisistä työtavoista poiketen käsitellä laskennallisesti. Viime vuosina yleistyneet digitaalipatologiset skannerit tuottavat valtavia määriä kuvadataa: esimerkiksi omassa tutkimuksessani käytetty aineisto koostui noin 13 terapikselistä, mikä vastaa karkeasti pitkälti yli miljoonaa tavanomaisella kameralla otettua valokuvaa. Erilaisia sairauksia edustavien solumuutosten väsymätön havaitseminen ja luokittelu suurista datamassoista on juuri sellainen tehtävä, johon tekoäly soveltuu hyvin.

Asiantuntijan tasoista tarkkuutta

Usean viime vuoden ajan tutkimusryhmämme on yhteistyössä ruotsalaisten tutkijoiden kanssa kehittänyt tekoälyjärjestelmää eturauhasyövän diagnostiikkaan. Tutkimus, joka muodostaa myös keskeisen osan omaa väitöskirjaani, julkaistiin tämän vuoden alussa The Lancet Oncology -tiedelehdessä (https://www.tuni.fi/fi/ajankohtaista/tekoaly-tunnistaa-eturauhassyovan). Tutkimuksessa, jonka tuloksia voi tarkastella interaktiivisesti osoitteessa https://tissuumaps.research.it.uu.se/sthlm3/index.html, osoitimme ensimmäistä kertaa, että tekoälypohjainen algoritmi kykynee diagnosoimaan eturauhasyöpää koepaloista yhtä hyvin kuin kokenut patologi. Vastaavia menetelmiä voidaan soveltaa muihinkin tauteihin ja muut tutkimusryhmät ovatkin saavuttaneet hyviä tuloksia esimerkiksi iho- ja rintasyöpien tapauksessa.

Suurteholaskenta avainroolissa

Entä miten supertietokoneet liittyvät asiaan? Nykyiset niin sanottuun syväoppimiseen perustuvat tekoälymenetelmät vaativat huomattavaa laskentakapasiteettia. Esimerkiksi eturauhassyöpätekoälyn kouluttaminen tavallisella kuluttajatietokoneella olisi vienyt vuosikausia – Tampereen tieteellisen laskennan keskus TCSC:n ja Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n suurteholaskennan laitteistoilla laskenta-aika on kuitenkin vain päiviä. Voisi sanoa, että laskentaintensiivisten alojen suomalaisten tutkijoiden keskuudessa ollaan tällä hetkellä eräänlaisen kultaisen aikakauden kynnyksellä. Upouusi Puhti-supertietokone on jo ehtinyt päästä kovaan käyttöön minunkin tutkimuksessani, mutta vielä suurempi puheenaihe on nyt LUMI – supertietokone, joka peittoaa kaikki maailman nykyiset suurteholaskennan järjestelmät. Kajaaniin ensi vuonna asennettava kone luo varmasti ennennäkemättömiä mahdollisuuksia myös laskennallisessa patologiassa (kts. haastattelu https://www.lumi-supercomputer.eu/lumi-provides-new-opportunities-for-artificial-intelligence-research/).

Ratkaiseeko tekoäly patologipulan?

Väestön ikääntyminen on aiheuttamassa patologiassa kaksinkertaisen ongelman – samaan aikaan kun esimerkiksi syöpätaudit yleistyvät ja diagnostiikan tarve kasvaa, nykyinen pula patologeista pahenee eläköitymisten myötä. Potilaskäytössä tekoälymenetelmät voivat toivon mukaan nopeuttaa patologien työskentelyä, toimia potilasturvallisuutta parantavana varmuusmekanismina ja mahdollistaa näiden kriittisten analyysien suorittamisen myös siellä, missä asiantuntijoita ei aina ole riittävästi saatavilla. Seuraavaksi aionkin keskittyä tulosten luotettavuuteen ja epävarmuuksiin liittyviin kysymyksiin, jotka on vielä ratkaistava, ennen kuin panostukset tekoälytutkimukseen voivat tuottaa konkreettista hyötyä syöpäpotilaille.

Kirjoittaja on diplomi-insinööri, joka työskentelee väitöskirjatutkijana Tampereen yliopiston Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa, Biokuvainformatiikan tutkimusryhmässä. Ryhmää johtaa apulaisprofessori Pekka Ruusuvuori. Kirjoittaja sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahan vuonna 2019.

Uusimmat artikkelit

Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 3.2.2022

Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara Väestön ja asuntokannan yhteinen ikääntyminen asettavat Suomessa, kuten monessa muussakin maassa, enenevässä määrin haasteita asumiselle. Asumisen tarpeiden ja tarjonnan epäsuhtaa ei voida oikaista pelkällä uudistuotannolla. Vastavuoroisesti korjausrakentamisen merkitys kasvaa niin sosiaalisista, ekologisista, kuin taloudellisistakin syistä. Ikääntyminen kärjistyy lähiökerrostaloissa Useimmat ihmiset tahtovat asua kotona mahdollisimman pitkään. Tuttuun elinympäristöön on vahvat tunnesiteet … Jatka artikkeliin Monotoninen rakennuskanta on korjausrakentamisen voimavara

Ioncell® technology for a green textile industry

Kirjoittajalta Marianna / 1.2.2022

Ioncell® technology for a green textile industry Fast fashion promotes the usage of low-cost and synthetic fibers such as polyster-based textiles, leading to the increase of global textile production. Unfortunately, vast majority of the produced textiles are remained unrecycled, thereby, adversely affecting the environment. Recent report suggests that synthetic garments are the major cause of … Jatka artikkeliin Ioncell® technology for a green textile industry

Parempia kaupunkeja 3D-mittausmenetelmien ja peliteknologian avulla

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 18.1.2022

Parempia kaupunkeja 3D-mittausmenetelmien ja peliteknologian avulla Väitöskirjatyössäni tutkin 3D-mittausmenetelmien ja peliteknologian hyödyntämistä mittatarkkojen ja fotorealististen kaupunkimallisovellusten kehittämisessä. Työssä kehitettävä teknologioiden yhteiskäyttö lisää 3D-mittauksen hyödynnettävyyttä sekä parantaa peliteknologiaan pohjautuvan sovelluskehityksen tehokkuutta todelliseen maailmaan perustuvissa kohteissa. Samalla syntyy myös uudentyyppisiä hyötysovellusprototyyppejä, joilla edistetään kaupunkiympäristöihin liittyvien muutosten ja ilmiöiden ymmärtämistä, päätöksentekoa, suunnittelutyötä sekä kaupunkiympäristön eri sidosryhmien, kuten kaupunkiorganisaatioiden, … Jatka artikkeliin Parempia kaupunkeja 3D-mittausmenetelmien ja peliteknologian avulla

Tehokkaampaa sähköntuotantoa yksityiskohtien ymmärryksen kautta

17.2.2021/Teksti: Jonne Niemi

Suuri osa maailman ja myös Suomen sähköntuotannosta toteutetaan polttoprosessien kautta. Sähköntuotanto polttoprosessien kautta on teoriassa yksinkertaista: Polttoaine palaa, jolloin vapautuu lämpöä. Lämmön avulla höyrystetään vettä ja höyry kuumennetaan usean sadan asteen lämpötilaan ja useiden kymmenien atmosfäärien paineeseen. Höyry johdetaan turbiinin, jossa höyryn annetaan laajentua. Höyry tekee työtä, joka saa turbiinin pyörimään. Turbiinin liike-energia muunnetaan sähköksi generaattorin avulla.
Kyseisen prosessin hyötysuhde riippuu merkittävästi siitä, kuinka kuumaksi höyry voidaan kuumentaa. Yleisesti hiiltä polttoaineenaan käyttävät voimalaitokset voivat tuottaa kuumempaa höyryä kuin biomassaa polttavat voimalaitokset, puhumattakaan jätteidenpolttolaitoksista. Syynä tähän ovat korkeanlämpötilan ruostumismekanismit ja polttoaineiden tuhkakemian vaikutus ruostumisnopeuteen.

Tuhka aiheuttaa ongelmia

Tietyt alkuaineet, kuten kloori, alkalimetallit ja raskasmetallit nopeuttavat ruostumista korkeissa lämpötiloissa. Juuri näitä alkuaineita löytyy esimerkiksi poltettavista jätteistä. Tästä syystä jätepolttolaitosten materiaalien lämpötilat pidetään matalalla. Ruostumiselle alttiita ovat varsinkin höyryn lämmittämiseen käytettävät lämmönvaihtimet, joiden sisällä virtaa höyryä.

Kyseessä on siis optimointiongelma: Höyrynlämpötila pitäisi saada mahdollisimman korkeaksi, jotta polttoaineesta saadaan mahdollisimman suuri hyöty, toisaalta höyryn lämpötilaa täytyy rajoittaa, jotta lämmönvaihtimet eivät ruostu puhki. Ruostumista voidaan myös hallita käyttämällä paremmin ruostumista kestäviä teräslaatuja. Kyseiset teräslaadut ovat tosin moninkertaisesti kalliimpia verrattuna huonommin ruostumista kestäviin. Tästä syystä parempaa terästä käytetään usein vain muutamissa valituissa kohdissa polttolaitoksissa.

Tuhkakemian ymmärtämisen kautta kohti kestävämpää sähköntuotantoa

Väitöskirjatyöni tarkoituksena oli tutkia yksityiskohtaisesti, mitä tuhkakerrostumissa tapahtuu lämmönvaihdinten pinnalla ja millainen vaikutus sillä on ruostumisen kannalta. Vastaavanlaisia tutkimuksia on aiemmin tehty polttolaitoksissa. Monimutkaiset olosuhteet kuitenkin tekevät yksityiskohtien tulkitsemisesta lähes mahdotonta. Tästä syystä väitöskirjatyössäni kokeet tehtiin pääasiallisesti laboratorio-olosuhteissa, jolloin monimutkainen ja monitahoinen systeemi saadaan yksinkertaistettua. Lisäksi eri muuttujia (esim. tuhkan koostumusta ja materiaalien lämpötilaa) voidaan hallita ja niiden vaikutusta testata kontrolloidusti.

Väitöskirjassa tunnistettiin onnistuneesti, miten esimerkiksi kloori voi kulkeutua teräksen pinnalle, ja täten nopeuttaa sen ruostumista. Kulkeutumismekanismin ymmärtäminen helpottaa uusien polttolaitosten suunnittelua ja edistää jo olemassa olevien ongelmien syiden tunnistamista. Tehokkaammat voimalaitokset tuottavat enemmän sähköä samalla määrällä polttoainetta. Tämän lisäksi yksityiskohtaisen tuhkakemian ymmärtäminen mahdollistaa myös uusien ja haastavien polttoaineiden ja polttoaineyhdistelmien käytön sähköntuotannossa.

https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b01722
https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b04199
http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-12-3866-6

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 22.9.2022

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista 22.9.2022/Teksti: Laura Saukko Lehdistössä olemme usein saaneet lukea esimerkiksi suurten infrastruktuuri- tai rakennusprojektien kustannusten karkaamisesta ja muista epäkohdista projektien toteutuksissa. Tiedetään, että projektin toimijoiden välisen yhteistoiminnan avulla saavutetaan huomattavasti aiempaa parempia lopputuloksia. Käytännön askelmerkeissä siihen, kuinka sujuvaan yhteistoimintaan päästään, on kuitenkin vielä selvitettävää. Väitöstutkimuksessani pureuduin niihin konkreettisiin … Jatka artikkeliin Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna / 6.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies 6.9.2022/Text: Diosangeles Soto Veliz Traditional cell culture platforms consist mostly of flat plastic surfaces. However, the real cellular environment is far from uniform. Cells grow naturally on various kind of surfaces: smooth, fibrous, soft, hard, porous, and all kinds of variations found … Jatka artikkeliin Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 2.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa 2.9.2022/Teksti: Elias Raninen Datan määrä on kasvanut voimakkaasti viimeisen vuosikymmenen aikana. On arvioitu, että määrällisesti merkittävin osa kaikesta maailman datasta on luotu ihan viimeisten muutamien vuosien aikana. Samalla kun datan määrä jatkaa kasvuaan, yhä tärkeämmäksi muodostuu se, kuinka luotettavasti ja tehokkaasti data saadaan muutettua hyödylliseksi informaatioksi. Tutkimusryhmässämme tutkitaan signaalinkäsittelymenetelmiä, joiden … Jatka artikkeliin Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Huoneenlämpötilan kvantti-ilmiöitä valjastamassa

9.2.2021/Text: Antti Moilanen

Tietokoneet ovat muuttaneet elämäämme monin tavoin, mutta niiden perustana toimivan elektroniikan kehityskulku alkaa tulla tiensä päähän. Tietoa siirtyy internetin kautta yhä suurempia määriä, kun striimaamme teräväpiirtolaatuisia ohjelmia kotisohvilta ja älypuhelimemme toistavat loputtomasti videoita somen uutissyötteissä. Parempi kuvan- ja äänenlaatu tarkoittaa suurempaa käsiteltävää datamäärää.

Lisäksi uudet koneoppimista hyödyntävät sovellukset vaativat valtavia määriä tietoa tekoälyn treenaamiseen. Tekoälyä kaivataan avuksi erilaisten globaalien kriisien, kuten luonnonkatastrofien ja pandemioiden selättämisessä. Toisaalta samaan aikaan energiankulutusta tulisi vähentää merkittävästi. Entistä tehokkaampien laskentateknologioiden kehittämiseen panostetaankin nyt paljon ympäri maailman.

Valosta uudenlaisia laskukoneita

Nykyaikaisen tietokoneen toiminta perustuu transistoreihin, joita käytetään sähkövirran vahvistimina, kytkiminä ja muistin osina. Transistorien ensimmäinen kaupallinen käyttökohde oli IBM 608 -laskukone vuodelta 1955. Laskukoneessa oli 3000 transistoria, mikä oli huima määrä tuohon aikaan. Mooren laki on ennustanut 1970-luvulta lähtien mikropiirin transistorien lukumäärän tuplaantuvan joka toinen vuosi, ja nykyään yhdellä mikropiirillä voi olla useampi miljardi transistoria. Pakkaamalla yhä enemmän transistoreja yhä pienempään tilaan, olemme onnistuneet rakentamaan taskukokoisia laitteita, joissa on moninkertaisesti laskentakapasiteettia verrattuna huoneenkokoisiin ensimmäisiin tietokoneisiin. Olemme kuitenkin saavuttaneet elektroniikan kehityksessä pisteen, jossa transistoreja ei pian enää voida pakata pienempään tilaan.

Optiset piirit, joissa kulkee valo sähkövirran sijaan, voivat mullistaa tiedonsiirron tulevaisuuden. Optiset piirit kykenevät toimimaan merkittävästi nopeammin ja pienemmällä energiankulutuksella, kuin elektroniset piirit. Sähkövirran häviöt asettavat ylärajan elektronisten laitteiden toimintanopeudelle, sillä sähkövirran kuljettajien eli elektronien siirtämiseen paikasta toiseen kuluu energiaa. Sen sijaan optisten piirien toimintanopeudet yltävät valonnopeuteen saakka. Toisaalta optisten piirien käyttöönoton haasteena on niiden yhteensovittaminen elektroniikan komponenttien kanssa, sillä valon kuljettajat eli fotonit eivät luonnostaan vuorovaikuta elektronien kanssa.

Kvanttivallankumouksen kynnyksellä

Väitöstyössäni tutkin pieniä metallisia rakenteita, joiden avulla valo saadaan kytkettyä metallin elektroneihin. Kun fotonit kytkeytyvät elektroneihin, valo saadaan tiivistettyä aallonpituutta pienempään tilaan. Tämä mahdollistaa muun muassa erilaisten kvantti-ilmiöiden havaitsemisen, joista yksi esimerkki on väitöstyössäni havaittu ensimmäinen valosta ja elektroneista koostuva Bosen-Einsteinin kondensaatti (HS ja T&T linkit alla).

Vuoden 2019 aikana kävin tutkimusvierailulla IBM:n Sveitsin laboratoriossa, jossa sain mahdollisuuden tutustua sekä transistoripohjaisten laskukoneiden historiaan, että kvanttitietokoneen kehittämiseen. Ensimmäisten kvanttitietokoneiden kehitys nojaa teknologiaan, joka vaatii jäähdytystä lähelle absoluuttista nollapistettä (-273 astetta). Väitöstyössäni tutkittujen rakenteiden etu on, että ne toimivat huoneenlämpötilassa. Työ on vielä varhaisessa vaiheessa käytännön sovellutuksia ajatellen, mutta ilman perustutkimusta ei teknologiakaan kehity. Apurahalla tuetun tutkimusvierailun myötä voi todeta, että vaikka pitkälle on tultu ensimmäisestä laskukoneesta, olemme vasta uuden ajanjakson kynnyksellä.

Antti Moilanen työskentelee Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa tohtorikoulutettavana. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä kannustusapurahan jatko-opintoihinsa Aalto-yliopistossa vuonna 2019.

Lue lisää aiheesta:
Helsingin Sanomat, Läpimurto Suomessa: Valosta ja elektroneista syntyi kvanttitiivistymä Aalto-yliopistossa, https://www.hs.fi/tiede/art-2000005645499.html

Tekniikka & Talous, Albert Einsteinin 100 vuotta sitten ennustaman ilmiön rajoja ei vielä tunneta – Suomalaistutkijat pääsivät taas askeleen pidemmälle, https://www.tekniikkatalous.fi/uutiset/albert-einsteinin-100-vuotta-sitten-ennustaman-ilmion-rajoja-ei-viela-tunneta-suomalaistutkijat-paasivat-taas-askeleen-pidemmalle/f9138691-57bb-3304-8940-74d4787e22c2

Lue lisää tutkimusryhmän työstä: https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/quantum-dynamics-qd

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna / 6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö / 2.9.2022

Suorituskykymittarien kehitys kondensaattorieristeiden tuotekehitykseen

9.10.2019/Text: Mikael Ritamäki

Kevyempää tehoelektroniikkaa paremmilla muoveilla

Muovikondensaattoreita käytetään esimerkiksi tehoelektroniikassa, jota käytetään uusiutuvan sähköenergian siirtoon vaikkapa merituulivoimapuistoista kulutuskeskuksiin. Nykyisellä tekniikalla toteutetut muovikondensaattorit ovat luotettavia mutta varsin isoja ja painavia: parempia sähköeristemateriaaleja kehitetään, jotta kondensaattoreita käyttävistä laitteista saataisiin pienempiä ja kevyempiä. Varsinkin sähköverkkosovelluksissa muovikondensaattoreita vaaditaan pitkää, kymmenien vuosien käyttöikää, joten uusia materiaaleja kehitettäessä onkin äärimmäisen tärkeää varmistaa, että ne ovat vähintään yhtä luotettavia, ja mielellään toki vieläkin pitkäikäisempiä, kuin perinteiset materiaalit. Kelvatakseen kondensaattorieristeeksi muovin täytyy olla monella mittarilla mitattuna hyvä; yksikin huono ominaisuus, kuten taipumus lämmetä liikaa, voi estää muuten erinomaisen muovin käytön täysin.

Luottavuustestausta heti tuotekehityksen ensimetreillä

Väitöskirjatutkimukseni tavoitteena on laajentaa silloisen TTY:n eli nykyisen Tampereen yliopiston suurjännitetekniikan tutkimusryhmän käytössä olevaa mittausarsenaalia niin, että kaikki kondensaattorieristeiden loppukäyttökohteen kannalta tärkeät sähköiset ominaisuudet voitaisiin luotettavasti mitata jo tuotekehityksen alkuvaiheessa. Näin resurssit voitaisiin kohdentaa lupaavimpien materiaalien jatkokehitykseen. Nykyiset kondensaattorieristeet ovat erittäin pienihäviöisiä ja niiden läpilyöntilujuus on korkea, minkä takia diagnostisten menetelmien kehittäminen niille on hyvin vaativaa. Suurimpia haasteistani oli kehittää helposti toistettavat menetelmät laboratorio-asteen koe-erien luotettavuuden ja häviöllisyyden määrittämiseen. Standardoitujen luotettavuustestien käyttö olisi edellyttänyt ison mittakaavan kalvovalmistusta, joka tuotekehityksen alkuvaiheessa ei ollut mielekästä, koska tuolloin ”kalvokandidaatteja” on vielä lukuisia. Suurin väitöstyössä ottamani edistysaskel tapahtuikin, kun kehitin testijärjestelmän, jolla laboratorio-asteen pieniä eristekalvoja voidaan vanhentaa oikeita sovelluskohteita mukailevassa sähkö-lämpörasituksessa. Yksi tutkimukseni kohokohta olikin, kun menetelmää käsittelevä artikkelini julkaistiin sähköeristysalan arvostetuimpiin kuuluvassa vertaisarvioidussa tieteellisessä lehdessä. Lisäksi kehitin toki menetelmiä kondensaattoreiden muidenkin eristeominaisuuksien mittaamiseen oikeissa käyttölämpötiloissa.

Pikkutarkkaa näpertelyä mikrometriluokan kalvojen kanssa

Tutkimani muovikalvot ovat paksuudeltaan kymmenen mikrometrin (millin tuhannesosan) molemmin puolin, ja niiden käsittely vaati vakaita käsiä ja kieltämättä joskus myös hyviä hermoja. Vertailun vuoksi tavallinen kopiopaperi on noin kymmenen kertaa paksumpaa! Osan näytteenvalmisteluista pääsinkin tekemään silloisen Tampereen teknillisen yliopiston uudenkarheassa puhdastilassa. Työssäni nautinnollisinta olikin sen monipuolisuus, pääsin tapaamaan sekä kalvovalmistajia että loppukäyttäjiä, käymään tutkijavaihdossa Italiassa Bolognan yliopistossa ja tekemään kaikkea konepiirustuksesta mittausautomaatioon ja tulosten tilastolliseen analyysiin.

Mikael Ritamäki väitteli Tampereen Yliopistosta tekniikan tohtoriksi syksyllä 2019. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa jatko-opintoihinsa Tampereen teknillisessä yliopistossa vuonna 2018.

Linkit:

Tutustu suurjännitetutkimusryhmämme monipuoliseen toimintaan täällä: https://www.tuni.fi/en/research/high-voltage-engineering

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1176-6

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

Bio-based thin-film structures to tackle the growing menace of plastics

30.9.2019 / text: Aayush Jaiswal

The world is turning into a global village and consequently, food products from around the world are becoming ubiquitous in the store where you buy your grocery every week. Have you ever wondered what keeps these products fresh and delicious? The answer lies in the product packaging. A package’s importance is often neglected but a lot of science goes into developing that fancy trivial package that often charms you into making buying decisions.

In today’s world, most of the food packaging utilizes petroleum-derived plastics in some form. Usually, the plastic is visible in the package and if not, it might lie as a thin layer under the top layers made from materials like paperboard and metal foils. Due to the rampant use of petroleum-derived plastics in packaging, our environment lies in a grave danger. The amount of plastics being produced for packaging purpose was approximately 161 million tons in 2017 and the amount of plastic waste entering the planet’s oceans annually worldwide was estimated to be 8 million tons. These figures, already gargantuan, are expected to rise rapidly if immediate measures are not taken. We cannot turn a blind eye to the menace of plastics in packaging anymore. We must look for bio-based solutions which are produced, consumed and recycled responsibly.

What does it take to get rid of plastics?

If it were so straightforward to replace plastics with some other biodegradable material, giving the same performance as plastics, it would have been done already. Current challenges in replacing plastics are:

Common packaging plastics like PE, PP, PS, etc. are extremely cheap.
The processing technologies for plastics such as, extrusion and injection moulding, are highly developed. Replacing a high-end and mature industrial technology is difficult.
We don’t have materials that can match or outperform plastics in the properties required by the packaging industry. Such properties include barrier functions like moisture, oil and gas barrier and the unique strength and flexibility offered by plastics.

Hence, the quest to find a material which can offer the demanded properties is on, and nanocellulose has been identified as a candidate material.

What is nanocellulose?

Nanocellulose is obtained by breaking down cellulose fibers (from wood or plants) to the nanoscale size through mechanical and/or chemical treatment. This nanomaterial possess excellent film-forming properties and is non-toxic and 100% biodegradable. Nanocellulose films, even as thin as human hair, exhibit excellent barrier against gas and grease, are strong, flexible, and transparent and hence, have been the center of attention of researchers around the world for the last decade. The production of such films in high-speed industrial processes has been an obstacle to commercialization and my research focuses on that.

But…..You don’t need superpowers to save the planet!

While nanocellulose-based packaging would still take some time to enter the grocery store, we need to play our small part in protecting the environment. Every individual must take responsibility for the waste they produce in everyday life and aim for as proper recycling as possible. This requires alterations in our attitude and habits but we must realize that resources on our planet are limited and we need to live in harmony with nature. We shouldn’t wait for a magical technology to do it for us, change comes from within and we must bring about this change.

Further reading:

Aayush Kumar Jaiswal is a master’s degree student at the Department of Chemical Engineering, Åbo Akademi University. His research deals with development of technologies enabling the production of thin-film structures from wood-based materials. He received a grant from Tekniikan edistämissäätiö in 2018.

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

Tekoäly auttaa patologia

24.9.2019/Text: Kimmo Kartasalo

Onko koneellisesti suoritettu syöpädiagnoosi osoitus muovikuorien sisällä surisevasta älystä? Tämä kysymys on muodostunut kahvipöydän kestosuosikiksi kehittäessämme koneoppimismenetelmää eturauhassyövän diagnosoimiseksi digitalisoiduista koepaloista. Niin sanottuihin syviin neuroverkkoihin pohjautuvat koneoppimisen menetelmät ovat viime vuosina näyttäneet kyntensä niin autoilussa kuin lautapeleissä – ja valloitettavia ongelmia ammennetaankin väitöskirjatyöni tapaan yhä enemmän myös lääketieteestä.

Mikroskooppilaseista biteiksi

Koneoppimisessa tutkittavasta ilmiöstä kerätään esimerkkidataa, jonka avulla muodostetaan ilmiötä kuvaava laskennallinen malli. Neuroverkkojen ero perinteiseen koneoppimiseen kiteytyy siihen, että neuroverkkomallit ”oppivat” itse, ilman ihmissuunnittelijan ennalta määräämiä sääntöjä, mikä datassa on huomionarvoista. Oma tutkimukseni keskittyy neuroverkkojen hyödyntämiseen alati yleistyvässä digitaalisessa patologiassa. Tavanomaisen mikroskoopilla tarkastelun sijaan digitaalisessa patologiassa kudosnäytteet skannataan erittäin korkearesoluutioisiksi kuviksi. Skannattuja näytteitä, esimerkiksi koepaloja epäillystä syövästä, voidaan tutkia, säilyttää ja analysoida digitaalisesti. Osana terveydenhuollon laajempaa digitalisaatiota tämä kehitys tarjoaa hedelmällisen kasvualustan uusille koneoppimisratkaisuille.

Pohjoismaista yhteistyötä ja numeronmurskausta

Osana väitöskirjatyötäni olen päässyt mukaan eturauhassyövän diagnostiikkaa koskevaan Tampereen yliopiston, Uppsalan yliopiston ja Karoliinisen instituutin yhteisprojektiin. Eturauhassyövän yleisyyden ja patologipulan vuoksi koepalojen arviointi on kasvava rasite laboratorioille, joten prosessin tehostamiselle on suuri tarve ympäri maailman. Tutkimuksen pohjana on mittava ruotsalainen aineisto, joka kattaa kymmeniä tuhansia eturauhasen koepaloja. Kehittämälläni algoritmilla kuvat ja niiden sisältämät patologin tekemät merkinnät saadaan käsiteltyä neuroverkkolaskennan kannalta käyttökelpoiseen muotoon. Tätä seuraava opetusprosessi edellyttää suurteholaskentaa grafiikkaprosessoreilla. Suomessa on onneksi sisäistetty järeän laskentakapasiteetin merkitys tutkimukselle – hatunnosto CSC:lle sekä Tampereen tieteellisen laskennan keskukselle. Opetuksen tuloksena saadaan neuroverkkomalli, joka jäljittelee huippupatologin toimintaa ja kykenee arvioimaan, sisältääkö koepala eturauhasyöpää. Leijonanosa projektimme kehitystyöstä tehtiin Uppsalaan vuonna 2018 suuntautuneen tutkijavaihtojaksoni aikana. Tiivis yhteistyö ruotsalaisten kanssa on toiminut kaikin puolin mallikkaasti ja sivutuotteena kouluruotsinikin on hitusen vertynyt.

Tekolääkäriä saadaan vielä odottaa

Palatakseni alun kysymykseen: onko onnistunut syöpädiagnoosi osoitus älystä? Ehkä ei, mutta huolellisesta tutkimus- ja insinöörityöstä kylläkin. Oli sitten mitä mieltä hyvänsä tekoälyn terminologiasta tai filosofisista ulottuvuuksista, nykyaikaisen koneoppimisen voittokulkua ei käy kieltäminen. Työn alla olevan tutkimuksemme myötä eturauhassyövän diagnosointi voidaan toivottavasti pian lisätä menestyksekkäiden neuroverkkosovellusten ketjuun. Neuroverkkokaan ei kuitenkaan ole kaikki perinteisen koneoppimisen ongelmat ohittava ”hopealuoti”, ja lääkärinpapereiden luovuttaminen itsenäisesti diagnooseja suorittavalle koneälylle kuulostaa vielä tällä hetkellä utopialta (tai ainakin potilasturvallisuuden kannalta vastuuttomalta). Tilannetta voi verrata tie- tai lentoliikenteeseen: vakionopeudensäädin tai autopilotti voi olla verraton apu, mutta kapteenillekin on yhä paikkansa. Tekoälyn hyödyntäminen tähän tapaan kustannustehokkuutta ja turvallisuutta lisäävänä patologin apurina voi olla todellisuutta piankin. Tämän saavuttaminen edellyttää vielä jatkotutkimuksia koskien tekoälyn toimivuutta arkipäivän terveydenhuollossa – ja ennen kaikkea lisää perinpohjaista insinöörityötä.

Kirjoittaja Kimmo Kartasalo työskentelee väitöskirjatutkijana Tampereen yliopiston Lääketieteen ja terveysteknologian tiedekunnassa, Biokuvainformatiikan tutkimusryhmässä. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa vuonna 2018.

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

Nanometrikokoluokan ohutkalvomateriaalien monet sovelluskohteet

3.9.2019/Text: Jenna Penttinen

Ohutkalvon paksuus määritetään alhaisen tulokulman röntgendiffraktiolla. Näitä mittauksia teemme päivittäin.

Olemme keskittyneet laajasti uudenlaisiin ohutkalvorakenteisiin epäorgaanisen kemian tutkimusryhmässämme. Oman väitöskirjani aihe on huokoiset ja kiteiset metalli-orgaanisen runkorakenteen (metal-organic framework, MOF) ohutkalvot, jotka koostuvat epäorgaanisista metallikeskuksista ja orgaanisista ligandeista muodostaen kolmiulotteisen verkoston. Keskityn kaikista elektropositiivisimpiin alkuaineisiin, kuten litiumiin, natriumiin ja magnesiumiin, koska ne muodostavat ionisidoksen orgaanisen molekyylin hapen kanssa. Ionisidoksien ansiosta rakenne on taipuisa muuttamaan kiderakennettaan ja hydrolysoituu helpommin, jolloin MOF-materiaaleja voidaan hyödyntää antureissa ja kaasuabsorptiossa. Atomi- ja molekyylikerroskasvatusmenetelmä (atomic and molecular layer deposition, ALD/MLD) mahdollistaa huokoisten ja kiteisten ohutkalvojen kasvatuksen nanometrien tarkkuudella.

Kuva. ALD/MLD-menetelmä perustuu kaasufaasissa tapahtuviin saturoituviin pintareaktioihin. 1) Epäorgaaninen lähtöaine reagoi pinnan kanssa. 2) Orgaaninen lähtöaine reagoi pinnan kanssa. 3) Kalvon paksuutta kontrolloidaan toistamalla vaiheet 1 ja 2 tarvittava määrä.

ALD-reaktorissa 8 tunnin työpäivän aikana ehtii kasvaa 100 nm paksuinen kalvo. Tänä aikana hiuksesi ja kyntesi ovat kasvaneet kymmeniä kertoja enemmän pituutta.

ALD/MLD-menetelmällä kasvatetuilla ohutkalvoilla on laajat käyttömahdollisuudet tulevaisuuden sovelluksissa. Meidän ryhmässämme olemme tutkineet esimerkiksi elektrodimateriaaleja mikroakkuihin; luminesoivia kalvoja; ohutkalvorakenteita, jotka reagoivat ulkoiseen ärsykkeeseen, kuten UV-valoon; sekä termosähköisiä ohutkalvoja, jotka johtavat hyvin lämpöä ja huonosti sähköä.

ALD-menetelmällä kasvatetut ohutkalvot sopivat sovelluskohteisiin, joiden vaatimuksena on erittäin tasainen ja laadukas ohutkalvo kolmiulotteisilla pinnoillakin. ALD-menetelmä on hidas, mutta etuna on ohutkalvon paksuuden tarkka kontrollointi nanometrin tarkkuudella. Hidas ohutkalvojen kasvatusmenetelmä soveltuu elektroniikkateollisuuden tarpeisiin. Lisäksi, ALD/MLD-menetelmällä pystytään kasvattamaan ohutkalvorakenteita, joita ei muilla menetelmillä pystytä valmistamaan ilman liuotinmolekyylejä.

ALD/MLD-hybridikalvojen julkaisutahti kasvaa joka vuosi ja on innostavaa olla mukana osana tätä alati kasvavaa alaa. Jatko-opiskelijana epäorgaanisen kemian ryhmässä olen saanut työskennellä monikulttuurisessa työympäristössä, jossa tutkijoita on kahdeksasta eri maasta, ja olen lisäksi päässyt esittämään tutkimustuloksiamme lukuisille konferenssimatkoille ympäri maailmaa.

Penttinen, M. Nisula, and M. Karppinen, “Atomic/Molecular Layer Deposition of s-Block Metal Carboxylate Coordination Network Thin Films,” Chem. - A Eur. J., vol. 23, no. 72, pp. 18225–18231, Dec. 2017.

https://doi.org/10.1002/chem.201703704

Jenna Penttinen työskentelee Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulussa tohtorikoulutettavana. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä kannustusapurahan jatko-opintoihinsa Aalto-yliopistossa vuonna 2018.

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

What will the Future Wireless Networks be?

26.8.2019/Text: Kien Vu

The deployment of the fifth generation (5G) networks is going to change our lives and transform our businesses. The unprecedented growth of data traffic driven mainly by a massive number of wireless connected devices (mobile phones, laptops, sensing devices) and rich content applications (video and game streaming, augmented and virtual reality) are posing unforeseen challenges in terms of extreme data rate, low latency, high reliability, and large scalability.

5G technologies for mobile broadband

The 5G wireless systems are expected to meet these unprecedented challenges, which require a paradigm shift in system design and radio technologies. In this research, the author studies the main 5G technologies, concerning higher frequency bands, large antenna array, and dense small cells to support new and diverse use-case scenarios and applications for future wireless networks. The author proposes a new system design, integrated in-band access and backhaul architecture, which jointly schedules a large number of users and provides in-band wireless backhaul to a dense deployment of small cell base stations. The main objective is to achieve extreme data rate, low-latency with reliability constraints in the presence of network dynamics by applying advanced signal processing techniques, mathematical optimization frameworks, and deep reinforcement learning tools.

Research Impacts

The research lies on the fundamental of wireless communications in which several questions are addressed. One of the most important questions is how to support extreme data rate, low latency, and reliable communication in 5G networks and beyond. This research contributes novel ideas to enrich user experiences, industrial productivity and efficiency of public sectors for the Finnish communities and the development of 5G networks over the world.

Research Results

The author would like to acknowledge the Finnish Foundation for Technology Promotion and other funding to support his doctoral studies. The author was able to finalize his doctoral dissertation, which consists of several research articles.

About the author: Kien Vu has joined the Centre for Wireless Communications as a doctoral student and started his doctoral degree studies on June 16^th, 2015 at University of Oulu Graduate School, Finland. He received the incentive grant from the Finnish Foundation for Technology Promotion to study new radio access technologies to enable multiple Gigabits of data rate and ultra-reliable and low latency communications for 5G wireless networks and beyond.

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

"Post doc -poolin apurahalla on ollut merkittävä vaikutus uran myönteiseen kehittymiseen"

21.8.2019

Sain Tekniikan edistämissäätiön apurahan Post doc -poolin syyshaussa vuonna 2017 tutkimusaiheelleni “Digital DNA sensing system for automatic detection of infectious diseases”. Suoritin Post doc -tutkimusvuoteni Lontoossa Imperial College London -yliopistossa.

Tutkimuskauden aikana pääsin tutustumaan useampaan uuteen tutkimusryhmään, jotka tekevät kunnianhimoista ja poikkitieteellistä tutkimusta uusien sensoriteknologioiden saralla. Vuoden aikana sain edistettyä omaa diagnostisten menetelmien tutkimusta ja tehtyä yhteistyötä Imperial College London tutkijoiden kanssa. Tutkimuksen pohjalta on valmisteilla kansainvälinen julkaisu, jossa esitellään uusien DNA sensoreiden toimintaa. Lisäksi tutkijavuosi mahdollisti tutustumisen uusiin tutkimushankkeisiin fysiologisen sensoreiden saralla, josta on myös valmisteilla kansainvälinen julkaisu.

Luotujen verkostojen ansiosta on tällä hetkellä myös suunnitteilla yhteisiä rahoitushakuja, joiden avulla syntynyttä tutkimusyhteistyötä voidaan ylläpitää.

Tällä hetkellä toimin vanhempana tutkijana Turun Yliopiston Tulevaisuuden Teknologioiden laitoksella vakituisessa virassa. Tekniikan Edistämissäätiön apurahalla on ollut merkittävä vaikutus uran myönteiseen kehittymiseen sekä uusien tutkimussuuntien ja yhteistyökumppaneiden löytämisessä.

Kirjoittaja: Matti Kaisti

Uusimmat artikkelit

Monimutkaisen projektin johtaminen vaatii systemaattista yhteen hiileen puhaltamista

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

22.9.2022

Stacked Cell Culture Platform: A Step Closer to Biologically Relevant in vitro Studies

Kirjoittajalta Marianna
/

6.9.2022

Signaali, kohina ja pari muuttujaa

Kirjoittajalta Tekniikan edistämissäätiö
/

2.9.2022

Puolijohdelaserien tutkimus avaa uusia ratkaisuja itseohjautuviin autoihin, lääketieteeseen ja piifotoniikkaan

27.10.2017/Text: Antti Aho

Antti Aho, optoelektroniikka, Tampereen teknillinen yliopisto

Laservaloa käytetään nykyään monissa arkisissa sovelluskohteissa, kuten dvd- ja blu-ray-soittimissa, optisessa tiedonsiirrossa sekä viivakoodinlukijoissa. Tulevaisuudessa sovellusalojen kirjo näyttää vain kasvavan. Laserien suorituskyvyn ja ominaisuuksien kehittyessä niitä voidaan käyttää tavoilla, jotka yhdessä muun tekniikan kehityksen kanssa mahdollistavat uusien teknologioiden yleistymisen.

Olen suorittanut jatko-opintojani reilun vuoden verran Optoelektroniikan tutkimuskeskuksessa TTY:llä ja kerron tässä lyhyesti sovelluskohteista, joihin puolijohdelaserien kehitysprojektimme liittyvät. Tutkimuksessamme korostuu selkeästi kaksi puolta: materiaalitutkimus hyvälaatuisen lasermateriaalin valmistamiseksi sekä valmistustekniikoiden kehitys laadukkaiden komponenttien tuottamiseksi.

Sensoreita itseohjautuviin autoihin

Yksi suurimmista yhteiskuntaa tulevaisuudessa muokkaavista hankkeista lienee itseohjautuvien autojen kehittäminen. Monta teknistä ongelmaa on kuitenkin ratkaistava, ennen kuin autonomiset kulkuneuvot voivat yleistyä, ja yksi näistä ongelmista on autojen sensorijärjestelmä. Robottiautot voivat kerätä tietoa ympäristöstään useilla eri menetelmillä, joista yksi on LIDAR eli optinen tutka. Kehitämme tällaiseen LIDAR-järjestelmään soveltuvaa kompaktia puolijohdelaseria, joka pyrkii ratkaisemaan kaksi ongelmaa: silmäturvallisuusvaatimuksista aiheutuvat tehorajoitteet sekä huonoista sääolosuhteista, kuten sumusta, johtuvan suorituskyvyn heikkenemisen.

Keltaista valoa kompaktisti

Puolijohdelaserit ovat käytännöllisiä ja pienikokoisia valonlähteitä moneen sovellukseen. Yksi niiden merkittävä ongelma kuitenkin on, että tietyillä aallonpituuksilla laserdiodien valoteho ja hyötysuhde ovat huonoja, ja kaikkia aallonpituuksia ei ole lainkaan mahdollista tuottaa suoraan. Eräs ongelmallinen aallonpituusalue on keltaisen ja oranssin valon välimaastossa, ja tällaisella laservalolla olisi sovelluskohteita mm. lääketieteessä ja spektroskopiassa. Lähestymistapamme ongelman ratkaisuun on tuttu esimerkiksi vihreistä laserpointtereista: kehitämme infrapuna-alueella emittoivaa suuritehoista laserdiodia, jonka säteilemän valon aallonpituus puolitetaan taajuuskahdennuskiteellä. Näin on mahdollista rakentaa pienikokoinen, keltaista valoa emittoiva komponentti. Tähän tutkimuskohteeseen liittyen väitöskirjani ensimmäinen vertaisarvioitu artikkeli on juuri julkaistavana (https://doi.org/10.1109/LPT.2017.2760038).

Sulautettuja valonlähteitä piifotoniikkaan

Piifotoniikalla tarkoitetaan sovellusalaa, jossa piialustaa käytetään valon ohjaamiseen ja muokkaamiseen, ja sillä on useita käyttökohteita tiedonsiirrosta signaalinkäsittelyyn. Vaikka pii on hallitseva materiaali perinteisessä elektroniikassa, sitä ei voida käyttää valon synnyttämiseen tai vahvistamiseen, joten optisesti aktiiviset komponentit täytyy valmistaa muista materiaaleista. Ryhmämme tutkii tapoja sulauttaa nämä valonlähteet suoraan piifotoniikkapiirille, jolloin piireistä on mahdollista rakentaa pienikokoisempia ja monipuolisempia.

Antti Aho työskentelee väitöskirjatutkijana Optoelektroniikan tutkimuslaitoksella Tampereen teknillisellä yliopistolla tutkimusalanaan suuritehoiset, kapean viivanleveyden laserdiodit. Hän sai Tekniikan edistämissäätiöltä apurahaa jatko-opintoihinsa vuonna 2017.