MaDEleNA

Acronimo:                  MaDEleNA

Tipologia:                  Grande progetto

Titolo completo:        Developing and Studying novel intelligent nanoMaterials and Devices towards Adaptive Electronics and Neuroscience Applications

Durata:                       dal 01/09/2013            al 31/08/2017

Costi totali:                Euro 2.360.176,00

Contributo PAT:         Euro 2.360.176,00

Soggetto Coordinatore:      Istituto dei Materiali per l'Elettronica ed il Magnetismo del Consiglio Nazionale delle Ricerche – IMEM-CNR

Responsabile di progetto:   prof. Salvatore Iannotta

Eventuali altri partecipanti:

Sito Web: www.imem.cnr.it/Madelena/drupal-7.22/

Breve descrizione del consorzio:

I partner del progetto propongono consolidate conoscenze ai migliori livelli internazionali nella scienza dei materiali (loro sintesi e studio), nella dispositivistica ed elettronica (design e realizzazione di architetture elettroniche, memristor), biofisica e biologia (biocompatibilità, tessuti neuronali), tutti settori fondamentali per l’ottenimento degli obiettivi finali.

Area tematica PPR:   Scienze dei materiali:micro- nano- tecnologie inorganiche e ibride

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Obiettivi del progetto

Madelena propone un approccio fortemente innovativo per studiare e proporre soluzioni a domande rilevanti della scienza moderna e della tecnologia, in campi apparentemente lontani come l'elettronica e le neuroscienze ma con obiettivi di alto impatto produttivo, sociale e scientifico.

L’elettronica sta evolvendo verso una miniaturizzazione alla nanoscala per produrre computer con funzioni e prestazioni sempre più simili a quelle del cervello umano; tuttavia quest’ultimo è dotato di schemi ed una intrinseca adattività non aggredibili dalle attuali architetture elettroniche. Vi è inoltre una forte richiesta di modelli che riproducano proprio il comportamento del cervello umano, per poter esplorare nuovi orizzonti e aprire nuove frontiere alla ricerca.

Madelena si muove proprio in questa zona di interfaccia tra l’elettronica e le neuroscienze, con il duplice obiettivo di implementare nuovi sistemi di calcolo neuro-bio-ispirati  e creare modelli hardware (dispositivi e sistemi) che mimino il cervello umano  Questo porterà a nuove tecnologie e nuovi approcci metodologici, creando a Trento un centro di eccellenza in questi campi.

 

Stato dell'arte ed elementi  migliorativi che verranno introdotti dal progetto

L’architettura elettronica di un computer si basa su una rete bidimensionale ad alta densità di componenti, non modificabile e a logica sequenziale, con zone diverse per memoria e calcolo.  Il cervello invece si sviluppa su reti tridimensionali, con una logica parallela ed è in grado di eleborare dati ed apprendere nella stessa sede fisica. Notevoli sforzi sono stati compiuti per sviluppare reti neurali basate su hardware tradizionali, ma fino a che l'apprendimento e il calcolo saranno sviluppati da software basati su queste architetture difficilmente si potranno ottenere risultati soddisfacenti.

Quello che Madelena vuole ottenere è il superamento di questa dicotomia tra sede della memoria e sede del calcolo, sviluppando elettroniche “neuromorfiche” che mimino i sistemi neuronali, basate su “memristor”, innovativi elementi elettronici adattativi che cambiano il proprio stato con la storia degli eventi che hanno “vissuto” e che possano interfacciarsi con tessuti neuronali, al fine di comprenderne i meccanismi.

 

Organizzazione del lavoro/Implementation

I cinque partner hanno esperienza nella scienza dei materiali (IMEM, UniTN, IFN), design di architetture elettroniche (FBK) e neuromorfiche (IMEM), sistemi biologici e neuronali (UniTN, IBF). Il progetto si articola su cinque linee principali relative alla sintesi e studio di materiali aventi proprietà memresistive, la realizzazione di dispositivi logici ed architetture elettroniche basate su memristor, lo sviluppo di reti neuromorfiche, la creazione di interfacce ibride formate da memristor e tessuti neuronali. Le attività di ricerca, la cui evoluzione temporale segue un preciso schema, vengono controllate da specifici organi interni ed esterni al progetto e si avvalgono della collaborazione di due partner imprenditoriali esterni, Biomat srl e ST Italia Spa.

 

Impatto previsto

Il progetto vuole innanzitutto promuovere una leadership scientifica ed aumentare l'innovazione e la competitività in una tecnologia emergente, creando a livello locale una massa critica di ricercatori allo stato dell'arte, con competenze multidisciplinari. Questo porrà le basi per un trasferimento tecnologico dalle fonti scientifiche per l’imprenditoria locale e nazionale, con una oculata gestione della proprietà intellettuale. Da questo punto di vista, lo sviluppo di nuove architetture basate su memristors sia per le memorie sia per network adattativi risulterà un vero punto di svolta per l’elettronica. Inoltre, le potenzialità date dall’originale approccio ibrido delle biointerfacce memristor/neuroni avranno ricadute che potranno andare ben oltre l’ambito locale.

 

Risultati previsti

Verranno sviluppate:

  • Architetture elettroniche deterministiche ma basate su memristors, quindi dove le operazioni logiche avvengono con una intrinseca capacità di apprendimento
  • reti stocastiche neuromorfiche, basate su una distribuzione casuale di singoli memristor, per riprodurre la rete di connessioni sinaptiche e studiare l’apprendimento nel cervello
  • biointerfacce ibride tra memristor e tessuti neuronali per lo scambio bidirezionale di segnali, superando le attuali limitazioni dovute all’uso di elettrodi biocompatibili ed elettronica standard.

Molti degli sforzi sono rivolti ad ottenere un elevata affidabilità dei singoli elementi memristor, così come delle architetture e delle biointerfacce, aspetto fondamentale per determinare il successo del progetto. L’approccio ibrido è sicuramente l’aspetto più originale e la maggiore sfida del progetto, ma i possibili sviluppi futuri per la comprensione del cervello umano e la creazione di architetture adattative sono dirompenti nei settori delle neuroscienze e tecnologie elettroniche.

Keywords:

Elettronica adattativa biomorfa, nanomateriali, nanosistemi, neuroscienze, interfacce verso il Sistema nervoso

Ultimo aggiornamento luglio 2016