Uusi lippulaiva tuo inversiomatematiikan ja fysiikan edistyneimmät menetelmät yhteiskunnan ja teollisuuden palvelukseen
Matemaattisen mallinnuksen, havainnoinnin ja kuvantamisen lippulaiva (FAME) perustuu inversio-ongelmien huippututkimukseen. Monet kuvantamismenetelmät, kuten röntgenkuvaus ja ultraäänikuvaus, hyödyntävät inversio-ongelmien matematiikkaa. Muita laajan mittakaavan sovelluksia löytyy maaperän tutkimuksesta, jossa pyritään ymmärtämään maankuoren liikkeitä ja maanjäristyksiä.
Itä-Suomen yliopiston johtamassa FAME-lippulaivassa on Jyväskylän yliopiston lisäksi mukana Aalto yliopisto, Ilmatieteen laitos, Helsingin yliopisto, LUT-yliopisto, Oulun yliopisto ja Tampereen yliopisto. Lisäksi yhteistyökumppaneita on useista sairaaloista ja eri yrityksistä.
Jyväskylän yliopistossa lippulaivaan kuuluvaa inversio-ongelmien tutkimusryhmää johtavat matematiikan ja tilastotieteen laitoksen professori Mikko Salo ja akatemiatutkija Joonas Ilmavirta.
Uutta osaamista yrityksille ja yhteiskunnalle
Lippulaivan tavoite on tuoda inversiomatematiikan ja fysiikan edistyneimmät menetelmät yhteiskunnan palvelukseen.
Inversio-ongelmissa tavoitteena on selvittää syy, kun tunnetaan seuraus. Tämä ongelma toistuu useilla tieteen ja teollisuuden aloilla, ja inversiomatematiikka tutkii tämän selvittämisen matemaattisia perusteita ja menetelmiä, joilla syy lopulta päätellään.
Lippulaivassa kehitetään huippututkimukseen perustuvia uusia ratkaisuja terveydenhuollon, puhtaan teknologian ja kestävän ympäristön teollisuuskumppanien ja julkisen sektorin tarpeisiin. Lisäksi lippulaiva kouluttaa asiantuntijoita, joilla on valmiudet monitieteiseen toimintaan.
Yleistajuinen tiedeviestintä on lippulaivassa tärkeässä osassa.
”Yksi tärkeimpiä tavoitteita lippulaivassa on kehittää tieteellistä osaamista, josta on hyötyä yhteiskunnalle. Lisäksi pyrimme kyseisen osaamisen jalkauttamiseen konkreettisesti soveltajien käyttöön, kertoo Jyväskylän yliopiston matematiikan ja tilastotieteen professori Mikko Salo.
Lippulaivan yhteisö on yhdistelmä uutta ja vanhaa. Yli 25-vuotinen luja yhteistyöverkosto on vakaa perusta, josta voi tavoitella uusien kumppanien kautta tuloksia, joihin ei ole aikaisemmin päästy.
”Yhteisö kattaa laajan spektrin ryhmiä ja tutkijoita puhtaimmasta teoriasta syvälle sovelluksiin esimerkiksi lääketieteen ja teollisuuden pariin. Yhteen hiileen puhaltamalla saamme enemmän ja nopeammin aikaan sekä pääsemme vaikuttavampiin tuloksiin", iloitsee Salo.
Jyväskylässä keskitytään kuvantamiseen ja koulutukseen
Jyväskylän yliopistossa inversio-ongelmien tutkimus keskittyy lääketieteellisen ja seismisen kuvantamisen matemaattisiin malleihin. Erityisesti tutkitaan epäsuoran mittaamisen matemaattisia perusteita.
Monia kiinnostavia kohteita on pakko mitata epäsuorasti: maapallon sisään ei pääse tekemään suoria mittauksia eikä lääkäri voi irrottaa luuta potilaasta selvittääkseen onko se murtunut. Tutkimuksella etsitään läpimurtopotentiaalia epälineaarisuuden, epälokaalisuuden ja epäisotrooppisuuden hyödyntämiseen.
”Nämä kaikki kolme ominaisuutta ovat matemaattisesti hyvin vaikeita käsitellä. Lisäksi ne on yleensä sivuutettu malleissa, mutta niiden mukana pitäminen tekeekin epäsuorista menetelmistä yllättäen vahvempia. Näitä kaikkia voi hyödyntää esimerkiksi seismisessä kuvantamisessa ja helpottaa siten esimerkiksi luonnonvarojen etsintää, maanjäristysten ennakointia sekä planeettojen sisärakenteen tutkimista”, kertoo Jyväskylän yliopiston akatemiatutkija Joonas Ilmavirta matematiikan ja tilastotieteen laitoksella.
Lisäksi Jyväskylän yliopiston erityistehtävänä on lippulaivan alojen koulutuksen koordinoiminen kansallisella tasolla. Alan kursseja järjestään Jyväskylän kansainvälisen kesäkoulun yhteydessä jo elokuussa 2024.
Pitkä taival uusien teknologioiden kehittämiseen
Lippulaivalla on teollisuuskumppaneita, jotka toimivat terveydenhuollon, puhtaan teknologian ja kestävän ympäristön aloilla. Ne luovat lippulaivan kanssa uusia ratkaisuja teknologioilleen.
Kun tutkitaan matemaattisia perusteita, jää usein varsinainen yhteys teknologiaan varsin hämäräksi.
| 1. | Todistetaan matemaattisesti, että jotain voi periaatteessa mitata epäsuorasti. |
| 2. | Löydetään matemaattinen epäsuoran mittaamisen menetelmä, jonka häiriöherkkyys tunnetaan. |
| 3. | Menetelmä toteutetaan numeerisesti ja sitä käytetään tietokoneella generoituun dataan. |
| 4. | Mittalaitteen toimintaperiaate keksitään. |
| 5. | Mittalaite rakennetaan. |
| 6. | Numeerinen menetelmä saadaan toimimaan mitatulle datalle. |
| 7. | Menetelmäkokonaisuudesta kehitetään jotain, mikä kiinnostaa yritystä. |
| 8. | Yritys kiinnostuu ja alkaa kehittää sitä pidemmälle. |
| 9. | Menetelmän käyttöön saadaan esimerkiksi kliiniset luvat. |
| 10. | Kaupallisesti toimiva teknologia syntyy. |
Jokainen yllä oleva askel vie vuosia ja vaatii omanlaista osaamista.
”Kuitenkin kaikki välivaiheet tarvitaan ennen kuin esimerkiksi uusi lääketieteellinen kuvantamisteknologia tulee käyttöön. Jyväskylän yliopistossa tutkimme pääasiassa vaihetta 1 ja jossain määrin vaihetta 2. Myös teollisuuden tarpeista nousee uusia tieteellisiä kysymyksiä, joihin pyrimme vastaamaan”, sanoo Joonas Ilmavirta.
Suomen Akatemian lippulaivahankkeet ovat osaamiskeskittymiä, joissa yhdistyvät korkealaatuinen tutkimus ja monipuolinen tieteellinen ja yhteiskunnallinen vaikuttavuus sekä vahva yhteistyö yritysten ja yhteiskunnan muiden toimijoiden kanssa.
