sunnuntai 24. helmikuuta 2013

Grafeeni on aineellinen realiteetti

Euroopan unionin miljardin euron satsaus grafeenin tutkimukseen läpäisi hyvin uutiskynnyksen, onhan mukana myös suomalaisia ja Nokia. Hanke on kaikin puolin hyvä. Samalla se on terveellinen muistutus siitä, että innovaatioyhteiskunnallakin on vahvat kytkennät aineellisesti niukkaan todellisuuteen.

Elämme helposti yltäkylläisyyden illuusion vallassa: teknologisella yhteiskunnalla on rajattomat resurssit toteuttaa erilaisia innovaatioita. Todellisuus on kokonaan toisenlainen. Koko teknologinen edistys on ollut hidasta ja vaivalloista ponnistelua erilaisten raaka-aineiden tuotantotapojen kehittämiseksi. Ja se on tapahtunut piilossa julkisuudelta tutkijoiden ja teollisuuden laboratorioissa. Kuitenkin edistyksen seuraukset ovat olleet mullistavia. Olemme kokeneet teräksen, petrokemian ja puolijohteiden tuottamat uudet aikakaudet. Onko nyt alkamassa molekyylihiilen käytön aikakausi? Grafeeni edustaa juuri sitä.

Tarvetta nykyistä varmemmalle aineelliselle perustalle on. Yhteiskunnat vaurastuvat ja maapallon väestö lisääntyy edelleen, ainakin vielä joitakin vuosikymmeniä. Haasteeseen on olemassa myös teknologisia ratkaisuja, eikä meillä edes ole varaa jättää niitä käyttämättä. On päästävä eroon harvinaisista ja myrkyllisistä raaka-aineista. Ne ovat olleet vaarallisia oikopolkuja. Jäljelle jäävän -raaka-ainepohjan tulee olla uudistuva ja materiaalikierrolla ei saa olla haitallisia ympäristövaikutuksia. Myös energiatekniikassa uudistustarpeet ovat mittavat.

Hämmästyttävästi grafeeni ja muut molekyylihiilet tarjoavat kaikkeen tähän ratkaisuja. Hiiltä on maapallolla yllin kyllin ja se on myrkytöntä. Grafeeni on ainutlaatuisen lujaa, ja sillä on hämmästyttäviä sähköisiä ja optisia ominaisuuksia. Materiaalitutkimusta ja valmistustekniikkaa on silloin tällöin pidetty vanhentuneina aloina, mutta ne ovat olleet ja ovat edelleen tulevaisuuden rakentajia.

Entä lunastaako EU:n tutkimushanke kaikki grafeeniin pannut toiveet? Kukaan ei osaa sanoa, mutta edistystä tapahtuu varmasti. Grafeenin lisäksi tärkeitä tutkimuskohteita ovat muut molekyylitekniikan alat ja orgaanisten molekyylien teknologia ja lääketiede. Nämä tutkimusalat ovat Suomellekin erinomaisia tulevaisuuden hyvinvoinnin rakennuspalikoita. Meillä on korkea koulutustaso, asiantuntijoiden osuus väestöstä on maailman suurin, ja meillä on monipuolinen teollinen struktuuri. Tätä etua ei saa päästää käsistä. Suomen menestys elektroniikassa oli yllätys, jota kukaan ei osannut ennakoida. Kannattaa varautua uusiin yllätyksiin.

Ainoa asia joka tässä huolestuttaa on lyhytnäköisyys. Kun julkinen valta panee tutkimusrahaa johonkin kolme tai viisi vuotta, ajatellaan että asia on sitten selvä. Ja jos ei ”kansantaloudelle merkittävää innovaatiota” tule, pannaan rahat johonkin aivan muuhun.

Ei se niin mene. Tämä on materiaalifysiikan perustutkimusta! Sitä tehdään vuosikymmenien perspektiivillä, ei vuosien. Jopa tuotekehityksessä viisi vuotta on mitätön aika. Chester Carlson tappeli kuivakopioinnin kimpussa yli 20 vuotta, ennenkuin tärppäsi. Missä me nyt oltaisiin ilman xerokopioita? Istuisimme luolissa ja nyppisimme kirppuja toistemme turkeista.

Toivotan tiederahoituksesta vastaaville suurta kärsivällisyyttä!

Lisää innovaatioyhteiskunnan realiteeteista voi lukea uudesta kirjastani!

perjantai 22. helmikuuta 2013

Muistoissani: kullanmuru ja sydänkäpy

Muisti on kummallinen kapistus. Olen varma, että olen lukenut Anton Tšehovin novellin ”Dušetška” käännettynä nimellä ”Sydänkäpy”, mutta useammassakin novellikokoelmassa sen nimi on ”Kullanmuru”. Samasta novellista on kuitenkin kyse. Muistikuvani tuntuu täysin oikealta, mutta ehkä se ei olekaan sitä. Olen kirjoittanutkin aiemmin muistikuvien luonteesta. On myös mahdollista, että olen lukenut jonkun kolmannen osapuolen kuvauksen novellista, ja ehkä siinä on tuo käännös ollutkin ”Sydänkäpy”. Tai sitten ei.
 
Usein kuulee harmiteltavan ihmisen muistin epätarkkuutta. On jopa haaveiltu, että ihmisen aivoihin voitaisiin joskus tulevaisuudessa liittää eräänlainen lisälaite, tietokoneentarkasti toimiva apumuisti. Eikö silloin ihmisen suorituskyky parantuisi merkittävästi? Pääsisimmehän eroon tästä vajavuudesta.

Ei, en usko, että se on hyvä ajatus, ei edes siinä epätodennäköisessä tapauksessa, että tällaisen bioteknisen liitännän tekniset ongelmat osattaisiin ratkaista. Mielikuvamme ihmisen muistista on liian tekninen. Tekniikassa muistiin liittyy kaksi päätoimintaa. Erotamme muistin sisällön säilyttämisen ja muistista hakemisen erillisiksi toiminnoiksi. Tietokone toimii juuri näin. Se hakee tietoa joko tietämällä etukäteen, missä tallennettu tieto on. Tai jos se ei ole mahdollista, se selaa koko muistin läpi. Joskus sekään ei ole mahdollista (esimerkiksi koko internetin sisältö on liian laaja selattavaksi). Silloin muistin mahdollisista hakusanoista ja niiden sisällön osoitteista on etukäteen laadittu järjestetty luettelo, joka voidaan tutkia hyvin nopeasti. Hakukoneet kuten Google toimivat tällä periaatteella.

Aivot toimivat eri tavalla. Hakumekanismia ja tallennusta ei ole erotettu toisistaan, eikä dataa myöskään ole koottu valmiiksi muistoiksi. Aivot koostavat muiston sekalaisista osista vasta silloin, kun yritämme muistaa jotain.

Ja on toinenkin syy, miksi ajatus apumuistista on huono, se on parhaimmillaankin vain rajattu apuväline. Olen vakuuttunut, että ihmisen henkiset kyvyt, kuten luovuus ja persoonallisuus, selittyvät nimenomaan muistimme epätäydellisyyden kautta. Tätä on useimpien ihmisten vaikea hyväksyä. Otan esimerkin tästä vaikeudesta. Oikeusistuin ei hyväksy polygrafin eli valheenpaljastuskoneen käyttöä ratkaisevana todisteena, koska sen luotettavuus on vain 90 % luokkaa. Ihmistodistajan lausunto kyllä kelpaa – vaikka sekä psykologisten testien että oikeushistorian perusteella sen luotettavuus on todella heikko.

Mutta palataanpa ”Kullanmuruun”. Tšehovin novelli kuvaa naista, jolla on voimakas kyky rakastaa syvästi. Novellissa nainen rakastuu tarjolla olevaan mieheen, sitten tämän kuollessa tai matkustaessa pois seuraavaan, kunnes lopuksi rakastamisen kohteena on viimeisen miehen pieni poika. Novellin särmää lisää, että lukijan silmissä rakkauden kohteet eivät juurikaan vaikuta rakastamisen arvoisilta.

Leo Tolstoi ihastui tähän novelliin, ja piti sen naiskuvaa universaalina. Ja aivan oikein, voimme hyvin nähdä Tolstoin suurten naishahmojen toteuttavan tätä ihannetta. Anna Karenina ja Nataša Rostova ("Sodan ja rauhan" unohtumaton naispäähenkilö) ovat omalla tavallaan ”kullanmuruja”. Tolstoin ihmiskuva on rajoittunut ja konservatiivinen, ja on selittämätöntä, miten hänen suuret romaaninsa ovat siitä huolimatta niin rikkaita ja vaikuttavia.

Sen sijaan Tšehov on jopa nykyajan näkökulmasta moderni kirjailija. Tapaamme hänen novelleissaan lukemattomia ja hyvin erilaisia naiskuvia. Ja tietenkin vielä enemmän mieskuvia, miehen elämän pohdiskelua. Olihan Tšehov hyvin selkeästi juuri mies, lääkäri, ja älymystön edustaja. Ja tietenkin novelleissa on terävää aikalaiskuvaa murrosaikaa elävästä venäläisestä yhteiskunnasta.

Oli tavattoman virkistävää lukea pitkästä aikaa Tšehovin novelleja. Joku on sanonut, että Tšehovin novellit ovat parasta, mitä koskaan on kirjoitettu. Ne vaihtelevat tunnelmaltaan suuresti, ja niissä on tuo selittämätön ja levottomuutta herättävä tšehovilaisuus. Emme aina oikein tiedä, ovatko ne keveitä vai traagisia, totisia vai ironisia. Siksi ne ovat tosia kuin elämä. Lukija ei varmasti pidä kaikista novelleista, kuinka voisikaan. Mutta seuraava on taas Jotain Ihan Muuta...

Tämä kirjoitus on oikeastaan jatkoa aiempaan kirjoitukseen.


maanantai 18. helmikuuta 2013

Pölynimuristiikkaa

Pölynimuri on eräs arkielämää helpottavista innovaatioista. Se ei ole yhtä merkittävä kuin automaattipesukone, mutta aivan yhtä yleinen. Tuotteena se on mielenkiintoinen juuri yleisyytensä ansiosta. Pölynimurin kehityskaari havainnollistaa niitä mekanismeja, jotka ohjaavat yleisemminkin innovaatioiden kehitystä. Pohditaan siis hetki pölynimijöiden kulttuurihistoriaa.

Pölynimuri on vanha keksintö. Koska lihasvoimalla käyvä imuri vaati käyttäjikseen kolme riuskaa ihmistä ja bensiinimoottorilla toimiva imuri oli ikävä sisätiloissa, modernin pölynimurin tarina alkaa sähköllä toimivasta imurista.

Sattumalta pölynimuri keksitään yhtä aikaa Yhdysvalloissa ja Euroopassa, eli noin vuonna 1910. Yhdysvalloissa pölynimurin mallina on eräänlainen moottoroitu varsiharja. Siinä moottori on asennettu harjaosan päälle ja pitkulainen pölypussi roikkuu harjan varresta. Imuria alkoi valmistaa Hoover-yhtiö, jonka nimi tuli lähes pölynimurin synonyymiksi.

Eurooppalainen imuri on aivan erilainen, funktionalisempi ja vapaammin ideoitu. Se ei perustu varsiharja-analogiaan, vaan sen ytimenä on pönttö, johon pöly menee, ja joka sisältää myös moottorin. Pöntöstä erkanee joustava letku, jonka päässä on imuputki ja suulake. Pönttöimurin patentoi tanskalainen Nilfisk, ja muutamaa vuotta myöhemmin ruotsalainen Lux. Nilfisk menestyi imuriensa myötä, samoin myös Luxista kehittynyt Electrolux.

Innovaatioiden teoriassa puhutaan vakiintuneesta tuotetyypistä (dominant design). Kun innovaatio alkaa kehittyä, aluksi esiintyy suuri teknologioiden ja muotojen vaihtelu. Mutta jossain vaiheessa löydetään sellainen tuotteen muoto, joka on joko teollisuuden kannalta helppo valmistaa, tai johon kuluttajat ovat erityisen mieltyneitä. Se voi siis olla joko teknologian tai kulttuurin määrittämä. Tai molempien. Kun vallitseva tuotetyyppi ilmestyy, useimmat valmistajat alkavat jäljitellä sitä. Niiden on pakko. Innovaatioiden kehityksestä ja luokittelusta on lisää tietoa kirjassani "Innovaattorin opas".

Seuraava pölynimurin tuotetyyppi oli 1920-luvulla keksitty lieriöimuri. Ensimmäinen oma pölynimurini oli tätä tyyppiä. Se oli itäsaksalainen Aka Electric. Sen runkona oli tukeva pahvilieriö. Etupäätyyn oli kiinnitetty letkuliitin ja lieriön sisään menevä pölypussi, takaosassa oli moottori ja sähköjohto. Imurini oli varsin tehoton, mutta sen hirmuinen ääni jäljitteli Stuka-syöksypommittajaa. (Eräs ilmailualalla toimiva tuttavani luonnehti samaan tapaan Draken- hävittäjää: akustinen pelote).

Lieriöimurin yleistymisen takana lienee helppo valmistettavuus. Lieriö on yksinkertainen tehdä, ja sen päätyyn integroitu moottori on kätevä sähkömekaaninen kokonaisuus. Kuluttajat hyväksyivät lieriöimurin. Vain muutama valmistaja vastusti trendiä. Nilfisk, jonka pönttöimuri oli korkean laatunsa ansiosta vahva tuote. Ja amerikkalainen Hoover, joka järkytti Euroopan markkinoita 1960-luvulla esittelemällä palloimurin. Tuotteen valttina oli hauska muotoilu.

Lieriöimurin (ja palloimurin)  elinkaari jäi lyhyeksi, sillä 1970-luvulla alkoi kehittyä uusi tuotetyyppi. Imuriin haluttiin käyttöä helpottavat pyörät. Lieriöimuri alkoi litistyä, litteään runkoon kun oli pyörät helpompi kiinnittää. Kun vielä esiteltiin itsekelautuva johto, oli syntynyt uusi tuotetyyppi, jota sanon kasetti-imuriksi. Se on enemmän tai vähemmän litteä, hieman kiilamainen ja lyhyehkö kapistus, jota ei avatakaan edestä, vaan päältä. 

Kasetti-imuri on nyt Euroopassa vallitseva tuotetyyppi. Jopa Nilfisk on antanut periksi, ja alkanut valmistaa kasetti-imureita. Käytännössä kaikki kuluttajille myytävät imurit ovat tätä samaa tyyppiä, vaikka niiden hinnat vaihtelevat 200 - 500 euron luoikassa. Hintaero perustuu osin tekniikkaan ja laatuun, mutta pääasiassa se on keinotekoisesti luotua tuotevariaatiota. Keinotekoisuuteen viittaa myös järjettömän laajaksi levinnyt pölypussivalikoima. 

Onko imuri nyt saavuttanut täydellisen muotonsa? Ehkä ei vielä. Kuluttajaa turhauttaa pölypussin ostamisen vaikeus ja sen monessa imurissa hankala vaihto-operaatio. 

Muutos tulee nyt fysiikan ja teknologian puolelta. Syklonierottimet on tunnettu teollisuudessa pari sataa vuotta. Niiden avulla voitaisiin päästä eroon hankalista pölypusseista. James Dyson joutui kuitenkin tekemään tuhansia prototyyppejä, ennen kuin tyydyttävästi toimiva pölypussiton imuri oli syntynyt. Tämä on epäilemättä uusi tuotetyyppi, mutta tuleeko siitä vallitseva? Se riippuu siitä, saako imuri riittävästi jäljittelijöitä. Vaikka toisin luullaan, innovaation edellytys on imitaatio. Liian tiukasti patentoitu ja suojattu tuote ampuu omaan jalkaansa. Yksi, ja erityisesti aloittava yritys on harvoin riittävän vahva työntääkseen markkinoille uuden, poikkeavan tuotetyypin. Myös kuluttaja haluaa nähdä useita valmistajia, ennen kuin uuteen tuotetyyppiin voi todella luottaa. 

Niinpä minäkin ostin pussittoman imurin, mutta edistääkseni innovaatiota ostin jäljittelevän tuotteen. Olen siitä vaikuttunut. Se ei tosin ole yhtä laadukas kuin aito ja upeasti muotoiltu Dyson, mutta sekin on peto imemään.

Entä mitä kuuluu Amerikkaan? On hämmentävää, että hankala varsi-imuri on edelleen suosittu Yhdysvalloissa ja jopa Britanniassa. Jopa Dyson on tehnyt sykloni- imuristaan myös varsimallin. Kasetti-imuri on toki tunkeutunut vahvasti myös sikäläisille markkinoille (vaikka en helposti löytänytkään markkinaosuuksia). 

Päinvastainen ei kuitenkaan ole totta. Varsi-imuri on jokseenkin tuntematon Manner- Euroopassa ja Pohjoismaissa. Mielestäni se osoittaa, että kasetti- imuri on teknisesti ja käyttöominaisuuksiltaan ylivoimainen, mutta siitä huolimatta amerikkalaiset ja brittiläiset kuluttajat pitävät kiinni perinteisestä mallistaan. Innovaatio on siis myös kulttuuria.

tiistai 12. helmikuuta 2013

Mitä aika on?

Ajan olemuksen pohtiminen on ollut filosofien ja kirjailijoiden harrastuksena. Ja miksi ei itse kukin ole sitä joskus pohtinut. Aika on kummallisella tavalla vaikea pohdittava – koska se on meitä liian lähellä. Kellojen käyttöönotto teki ajasta konkreettista ja mitattavaa. Huomattiin myös, että aika kuluu tasaisesti ja samalla tavalla kaikkialla, missä sitä voimme mitata. Ajan mittaaminen konkretisoi myös ajassa matkustamista – sitähän on toki harrastettu ajatuksen voimalla jo ennen mekaanisia kelloja. Aikakone tuntuu olevan kellon sukulaislaite. Jokin luonnossa vaikuttava ja aikaan liittyvä mekanismi saa kellon viisarit liikkumaan. Liikuttamalla itse viisareita voisimme ehkä saada sopivasti konstruoidun kellon vastavuoroisesti vaikuttamaan ajan mekanismiin.

Emme käsitä aikaa, koska koko olemassaolomme ja ajattelumme on täysin ajasta riippuvainen. Usein puhutaan prosesseista, tai puhutaan virtauksesta. Ajattelu, muistaminen, tulevaisuuden suunnittelu, matkustaminen, puhuminen, sosiaalinen kanssakäynti, oikeastaan mikä tahansa ihmisen toiminta on ajan jäsentämää. Jo sana ”toiminta” sisältää ajan oletuksen. Romaanin tai elokuvan on oltava aikaan sidottu. Vain ajassa etenevät tapahtumat tuottavat merkityksiä. Tapamme hahmottaa maailmaa perustuu kausaalisuuteen. Tapahtumilla on järjestys, ja aiempi tapahtuma saattaa vaikuttaa myöhempään – mutta ei koskaan päinvastoin. Luonto sellaisena kun se ilmenee ja biologinen elämä, myös tiedostamaton sellainen, voidaan kuvata kausaalisuhteina ja prosesseina, ja myös ”prosessin” käsitteeseen sisältyy ajan oletus. 

Tunnemme leikillisiä määritelmiä ajalle. ”Aika on luonnon keino estää kaikkea tapahtumasta yhtä aikaa”. ”Aika kuluu, mutta se on uudistuva luonnonvara. Luonto valmistaa uutta aikaa käytetyn tilalle”. Näennäisestä järkevyydestä huolimatta tällaiset määritelmät ovat järjettömiä. Ne osoittautuvat tavalla tai toisella kehäpäätelmiksi. Ne määrittelevät vain itsensä.
 
Tiede on myös koettanut ratkaista ajan arvoitusta. Aika astui konkreettisessa hahmossa tieteen areenalle Oresmen ja Galileon muotoilemassa kinematiikassa 1600-luvulla. Matemaattisesti ottaen siitä tuli vapaa muuttuja. Newton muutti maailman dynaamiseksi järjestelmäksi derivoimalla ajan suhteen, eli keksimällä differentiaalilaskennan. Einstein otti ajan tietoisesti yhdeksi maailman luonnetta kuvaavaksi muuttujaksi. Erityinen ja yleinen suhteellisuusteoria paketoivat maailman nätiksi paketiksi, jossa aika oli mukana. Samalla Einstein tuotti hauskaa pohdittavaa maallikoille ja tieteiskirjallisuudelle: aika kun ei enää kulunutkaan entiseen tapaan tasaisesti, vaan se osoittautuikin venyväksi. 

Mutta maailma ei ollut kokonaan selitetty. Osoittautui, että hyvin pienessä mittakaavassa aika ei myöskään virtaa tasaisesti. Se ei oikeastaan virtaa ollenkaan, vaan tapahtuu jotain ihan muuta. Moderni fysiikka on tuottanut syvällisimmät ajan luonnehdinnat, joita mm Stephen Hawking on oivallisesti popularisoinut. En edes lähde selittämään niitä, koska en ymmärrä niitä. Se edellyttäisi, että opiskelisin ensin muutamia vuosia sitä matematiikkaa, jonka sisällä nuo luonnehdinnat ovat syntyneet. Ja jossain sisimmässäni on aavistus, että nuo uuden fysiikan ajan määritelmät saattavat muistuttaa leikillisiä ajan määritelmiä: nekin olisivat kehämääritelmiä – tai tautologioita. (Joku filosofi taisi sanoa, että matematiikka on kokoelma tautologioita. Niissä ei ole merkityksiä, vaan merkitys on tulkinnoissa ja selityksissä, joita ihminen niistä tekee). Noh, nyt ollaankin jo syvissä vesissä.

Kerron omasta aikaharrastuksestani. Kauan sitten aloin työssäni suunnitella automaatiojärjestelmiä, tarkemmin sanoen reaaliaikajärjestelmiä. Reaaliaikajärjestelmä on systeemi, jonka toiminnan pitää täyttää ajallisia kriteerejä. Esimerkiksi moderni Airbus-lentokone on reaaliaikajärjestelmä. Se on täysin tietokoneen ohjaama. Tietokone tarkkailee jatkuvasti pilotin ohjaussauvan liikettä, lentokoneen lentotilaa ja siivekkeiden asentoja. Sen täytyy reagoida riittävän nopeasti pilotin ohjausliikkeisiin – ja lukemattomiin muihin asioihin. Muuten kone syöksyy maahan. (olisikohan pitänyt kertoa tätä, kun niin monella ihmisellä on lentopelkoja?). Vaarattomampi esimerkki reaaliaikajärjestelmästä on pankkiautomaatti. Kun käyttäjä näpyttelee pin-koodin, automaatin täytyy ennen pitkää antaa rahaa. Muuten asiakas suuttuu hirmuisesti ja alkaa etsiä puhelinnumeroa johon voi valittaa. 

Joten nuorena insinöörinä aloin pohtia, mitä aika on. Päädyin siihen, että aika on erilaisten tapahtumien jonoja. Reaaliaikajärjestelmän ulkopuolelta tulevat herätesignaalit ovat tapahtumia. Järjestelmän sisäisen kellon naksahdukset (yleensä tietokoneessa on sellainen) ovat aivan samanlaisia tapahtumia, ei mitään periaatteellista eroa. Tietokoneen tuottamat vasteet (ohjaussignaalit) ovat tapahtumia. Tietokoneen laskenta tuottaa sisäisiä tapahtumia (esimerkiksi säätöalgoritmin yhden laskentakierroksen valmistuminen). Ja ulkomaailmasta määräytyvät vaatimukset vasteajoille (niiden erääntymiset) ovat tapahtumia. Koko homman juju on järjestellä näitä tapahtumien jonoja ohjelmoimalla tietokone tekemään sitä automaattisesti.

Jollain karkealla tavalla aikafilosofiani alkoi muistuttaa kvanttifysiikan todellisuutta. Luulen, että se auttoi minua tekemään parempia ohjausjärjestelmiä. Se myös auttoi minua ymmärtämään aikaa hieman paremmin. Mutta en oikein usko lopullisiin selityksiin. Ehkäpä tässäkin piileskelee kehämääritelmä.

Tiedän kyllä hyvin, mitä aika on. Kunhan kukaan ei kysy sitä minulta.”
Augustinus