Sistemi e biointerfacce intelligenti e neuromorfe

L’attività di ricerca del nostro gruppo è mirata allo sviluppo di interfacce e sistemi basati su di esse per la realizzazione di dispositivi per la bioelettronica e di sistemi di interesse per le biotecnologie.

Il nostro approccio in bioelettronica è basato sullo sviluppo e studio di materiali (prettamente di natura organica, ma anche materiali 2D), di processi di fabbricazione innovativi, quali le tecniche di stampa per scrittura diretta e basati su estrusori, e di dispositivi e sistemi intrinsecamente dotati di proprietà personalizzate. In particolare, sviluppiamo sistemi in grado di effettuare la trasduzione intelligente di bio-segnali ed il monitoraggio di biomolecole e biomarkers, di implementare di sinapsi artificiali soddisfacenti la piena emulazione di quelle naturali. Anche 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 una delle nostre principali sfide.  Infatti, lo scopo globale a lungo termine del nostro gruppo è lo sviluppo di sistemi che acquisiscano informazioni (visive, acustiche, chimiche, tattili, etc), 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. Il tutto, non disdegnando l’utilizzo di protocolli di intelligenza artificiale, quali il machine learning e l’analisi big data, in un’ottica di integrazione ambientale dei dispositivi realizzati al fine di soddisfare i dettami dell’IoT. 

Nel settore delle biotecnologie, sempre partendo dai materiali e con riferimento particolare ai biopolimeri, implementiamo: 

• sistemi per il drug delivery basati su combinazione di biomateriali e tecniche di fabbricazione innovative, con un focus diretto sull’attuazione di meccanismi di delivery dei micro-nano contenitori e meccanismi di apertura peculiari, quali l’attuazione del rilascio per stimoli elettrici; 

• sistemi per l’ingegneria tissutale, quali ad esempio le protesi sensorizzate, gli scaffold per la rigenerazione tissutale e sistemi per wound healing. 

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

Sistemi Neuromorfici e Intelligenza Artificiale

L’attività si basa su una nuova classe di elementi, i Dispositivi Memristivi Organici (OMD), che mimano diverse proprietà importanti delle sinapsi naturali. In particolare, sono stati usati 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 la memorizzazione e l’elaborazione dell’informazione.

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Biomateriali e biotecnologie per drug delivery e ingegneria tissutale

Questa attività è mirata allo sviluppo applicazioni di interesse per il settore delle Biotecnologie e di relativi biomateriali multifunzionali, adatti quindi anche allo sviluppo di dispositivi e sensori bioelettronici. Le attività di ricerca per le Biotecnologie sono indirizzate a due ambiti applicativi: il drug delivery e l’ingegneria tissutale.

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Sistemi bioelettronici e bioinformatici

Questa attività è connessa con lo sviluppo di interfacce e sistemi intelligenti in grado di implementare il sensing e la trasduzione di segnali provenienti da parti del corpo di esseri viventi, e all’interfacciamento di questi segnali con elementi computazionali (ad esempio, utilizzo di strumenti per l’AI, quali machine learning) e attuatori finalizzati alla loro elaborazione. L’innovazione dei materiali a basso impatto ambientale (approccio di “green chemistry”) con proprietà multifunzionali e versatilità in termini di integrazione in architetture dispositivistiche, così come i metodi di fabbricazione innovativi 

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