Sistemi e biointerfacce intelligenti e neuromorfe
Referente: Erokhin Victor
Introduzione

Lo scopo globale a lungo termine del nostro gruppo è di sviluppare sistemi che acquisiscano informazioni (visive, acustiche, chimiche, tattili etc.., perciò, ci servono sensori), le processino, includendo apprendimento (perciò, ci servono reti neuronali artificiali hardware, dove l’immagazzinamento e l’elaborazione sono fatti dagli stessi elementi), e che possano generare segnali per attuare elementi o le azioni terapeutiche medicali dirette.

Naturalmente, prima di combinare queste sotto attività in un unico sistema intelligente dobbiamo svolgere ricerche in separate linee di ricerca parallele. In altre parole noi siamo concentrati nello sviluppo di nuovi paradigmi per integrare sistemi intelligenti, sensing, memoria e logica in un nuovo approccio verso il neuromofico e bio-elettronica ibrida.

Il nostro approccio è basato sullo sviluppo e studio di materiali, processi, dispositivi e sistemi intrinsecamente dotati di proprietà personalizzate compresa l’abilità di trasduzione intelligentemente di bio-segnali, monitoraggio di biomolecole e biomarkers, e per le sinapsi artificiali la piena emulazione di quelle naturali.

introductionAnche se ognuno di queste tematiche è materia delle attività di ricerca attiva del nostro gruppo, la loro integrazione in sistemi intelligenti che possano consentire risposte e azioni totalmente neuromorfe rappresentano la nostra sfida.  Il nostro approccio generale e la materia specifica di ricerca, che verrà descritta in dettaglio nei paragrafi successivi, sono di grade interesse dal punto di vista della ricerca fondamentale (relazione struttura-proprietà dei materiali, migliori comprensioni delle funzioni del cervello, modellizzazione hardware  di funzioni specifiche di esseri viventi etc..) e nell’ottica di applicazioni che coinvolgono computing neuromorfico ( hardware artificial neuronal networks, in-memory computing, apprendimento hebbiano etc..) interfacciamento di dispositivi neuromorfici intelligenti con i sistemi viventi naturali (sensori multi-panels impiantabili, contenitori e camere intelligenti per delivery mirato e rilascio indotto, etc..), abilitando nuove tecnologie capaci di emulare l’intelligenza e il comportamento naturali (sistemi modello e protesi impiantabili di singole sinapsi e parti del sistema nervoso. Noi approcciamo questa visione partendo dallo sviluppo base di materiali multifunzionali, progettando e sviluppando nuovi processi e tecnologie per la fabbricazione di dispositivi, che si integrano in architetture neuromorfiche per sistemi intelligenti di nuova generazione.

La nostra prospettiva è perseguita attraverso le seguenti tre attività di ricerca specifiche:

 

- Sistemi neuromorfici e intelligenza artificiale:

L’attività è basata su un nuovo elemento, dispositivi memristivi organici, che mimano diverse proprietà importanti delle sinapsi naturali. In particolare, è stato usato come  elemento chiave per l’implementazione artificiale di circuiti e sistemi bio-ispirati, permettendo l’apprendimento associativo a livello di hardware; per la realizzazione di perceptroni a singolo e doppio strato; primi passi verso le protesi sinaptiche; realizzazioni di reti auto assemblate con architettura stocastica e alto livello di integrazione,  permettendo memorizzazione e l’elaborazione dell’informazione.

 

- Biomedicina: contenitori intelligenti e trattamenti medici personalizzati

Questa attività è legata alla realizzazione di contenitori intelligenti, che permettano il delivery mirato e il rilascio indotto di preparazioni farmaceutiche verso la zona malata o verso aree a rischio dell’organismo. Idealmente, il rilascio di agenti farmaceutici nel caso in cui la malattia si presenta.

Se è impossibile, un targeting esterno può essere fatto telematicamente dal medico, dopo la richiesta del paziente e/o letture da sensori.

 

- Sistemi bio-elettronici e bio-informatici

Questa attività è connessa con il sensing e la trasduzione di segnali da parti del corpo di essere viventi (occhi, sangue, cervello, etc..) e all’interfacciamento di questi segnali processati con elementi computazionali e attuatori. L’innovazione dei materiali, architetture, metodi di fabbricazione sono tutti temi attivi della ricerca che include le loro applicazioni nell’ambito della salute, benessere e un ambiente ottimizzato per vivere meglio.