MaDEleNA

Akronym: MaDEleNA

Typologie: Großprojekt

Vollständiger Titel:

Entwicklung und Erforschung neuartiger intelligenter Nanomaterialien und Bauelemente für adaptive Elektronik und neurowissenschaftliche Anwendungen

Laufzeit: 01/09/2013 bis 31/08/2017

Gesamtkosten: 2.360.176,00 Euro

PAT-Beitrag: Euro 2.360.176,00

Koordinierende Einrichtung:

Institut für Materialien für Elektronik und Magnetismus des Nationalen Forschungsrats - IMEM-CNR

Projektleiter: Prof. Salvatore Iannotta

Andere Teilnehmer:

• Bruno Kessler Stiftung (Resp . Leandro Lorenzelli)
• Universität von Trient (Resp. Paolo Macchi)
• IBF-CNR Institut für Biophysik (Resp . Carlo Musio)
• Institut für Photonik und Nanotechnologie IFN-CNR (Resp . Alessandro Chiasera)

Kurzbeschreibung des Konsortiums

Die Projektpartner bieten ein konsolidiertes Wissen auf höchstem internationalem Niveau in den Bereichen Materialwissenschaft (Synthese und Untersuchung), Bauelementewissenschaft und Elektronik (Entwurf und Realisierung elektronischer Architekturen, Memristoren), Biophysik und Biologie (Biokompatibilität, neuronale Gewebe), die alle von grundlegender Bedeutung für die Erreichung der Endziele sind.

OSR-Themenbereich: Werkstoffkunde: Mikro-, Nano-, anorganische und Hybridtechnologien

Ziele des Projekts

Madelena schlägt einen höchst innovativen Ansatz vor, um relevante Fragen der modernen Wissenschaft und Technologie zu untersuchen und Lösungen vorzuschlagen, und zwar in scheinbar so weit entfernten Bereichen wie der Elektronik und den Neurowissenschaften, aber mit Zielen von großer produktiver, sozialer und wissenschaftlicher Bedeutung.

Die Elektronik entwickelt sich in Richtung Miniaturisierung im Nanomaßstab, um Computer mit Funktionen und Leistungen herzustellen, die denen des menschlichen Gehirns immer ähnlicher werden; letzteres ist jedoch mit Mustern und einer intrinsischen Anpassungsfähigkeit ausgestattet, die von den derzeitigen elektronischen Architekturen nicht angegriffen werden können. Es besteht auch ein starker Bedarf an Modellen, die das Verhalten des menschlichen Gehirns genau nachbilden, um neue Horizonte zu erkunden und der Forschung neue Grenzen zu eröffnen.

Madelena bewegt sich genau in diesem Bereich der Schnittstelle zwischen Elektronik und Neurowissenschaften mit dem doppelten Ziel, neue neuro-bio-inspirierte Computersysteme zu implementieren und Hardware-Modelle (Geräte und Systeme) zu schaffen, die das menschliche Gehirn nachahmen. Dies wird zu neuen Technologien und neuen methodischen Ansätzen führen und ein Kompetenzzentrum in diesen Bereichen in Trient schaffen.

Stand der Technik und Verbesserungen, die durch das Projekt eingeführt werden sollen

Die elektronische Architektur eines Computers basiert auf einem zweidimensionalen Netzwerk mit hoher Komponentendichte, nicht veränderbarer und sequentieller Logik, mit verschiedenen Speicher- und Rechenbereichen. Das Gehirn hingegen entwickelt sich auf der Grundlage dreidimensionaler Netzwerke mit paralleler Logik und ist in der Lage, Daten zu verarbeiten und am selben Ort zu lernen. Es wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um neuronale Netze auf der Grundlage herkömmlicher Hardware zu entwickeln, aber solange Lernen und Rechnen von Software auf der Grundlage dieser Architekturen entwickelt werden, werden wahrscheinlich keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt.

Madelena möchte diese Dichotomie zwischen dem Sitz des Gedächtnisses und dem Sitz der Berechnung überwinden, indem sie "neuromorphe" Elektronik entwickelt, die neuronale Systeme nachahmt und auf "Memristoren" basiert, innovativen adaptiven elektronischen Elementen, die ihren Zustand mit der Geschichte der Ereignisse, die sie "erlebt" haben, ändern und die eine Schnittstelle zu neuronalen Geweben bilden können, um deren Mechanismen zu verstehen.

Arbeitsorganisation/Durchführung

Die fünf Partner verfügen über Fachwissen in den Bereichen Materialwissenschaft (IMEM, UniTN, IFN), Elektronik (FBK) und neuromorphes Architekturdesign (IMEM) sowie biologische und neuronale Systeme (UniTN, IBF). Das Projekt ist in fünf Hauptlinien gegliedert, die sich auf die Synthese und Untersuchung von Materialien mit memresistiven Eigenschaften, die Realisierung von logischen Vorrichtungen und elektronischen Architekturen auf der Grundlage von Memristoren, die Entwicklung neuromorpher Netzwerke und die Schaffung hybrider Schnittstellen aus Memristoren und neuronalen Geweben beziehen. Die Forschungsaktivitäten, deren zeitliche Entwicklung einem präzisen Zeitplan folgt, werden von spezifischen Stellen innerhalb und außerhalb des Projekts überwacht und von zwei externen unternehmerischen Partnern, Biomat srl und ST Italia Spa, unterstützt.

Erwartete Wirkung

Das Projekt zielt in erster Linie darauf ab, die wissenschaftliche Führung zu fördern und die Innovation und Wettbewerbsfähigkeit in einer aufkommenden Technologie zu steigern, indem eine kritische Masse von Spitzenforschern mit multidisziplinären Fähigkeiten auf lokaler Ebene geschaffen wird. Damit wird die Grundlage für einen Technologietransfer von der Wissenschaft zu lokalen und nationalen Unternehmern geschaffen, wobei das geistige Eigentum sorgfältig verwaltet wird. Unter diesem Gesichtspunkt wird die Entwicklung neuer Architekturen auf der Grundlage von Memristoren sowohl für Speicher als auch für adaptive Netzwerke einen echten Wendepunkt für die Elektronik darstellen. Darüber hinaus wird das Potenzial des ursprünglichen hybriden Ansatzes von Memristor/Neuron-Bioschnittstellen weit über den lokalen Bereich hinausgehen.

Erwartete Ergebnisse

Es werden entwickelt:

• Deterministische elektronische Architekturen, aber auf der Grundlage von Memristoren, d.h. wo logische Operationen mit einer intrinsischen Lernfähigkeit stattfinden
• stochastische neuromorphe Netze, die auf einer zufälligen Verteilung einzelner Memristoren basieren, um das Netz der synaptischen Verbindungen zu reproduzieren und das Lernen im Gehirn zu untersuchen
• hybride Bioschnittstellen zwischen Memristoren und neuronalem Gewebe für den bidirektionalen Austausch von Signalen, die die derzeitigen Beschränkungen aufgrund der Verwendung biokompatibler Elektroden und Standardelektronik überwinden.

Viele der Bemühungen zielen darauf ab, eine hohe Zuverlässigkeit der einzelnen Memristor-Elemente sowie der Architekturen und Bioschnittstellen zu erreichen, was für den Erfolg des Projekts entscheidend ist. Der hybride Ansatz ist sicherlich der originellste Aspekt und die größte Herausforderung des Projekts, aber die möglichen zukünftigen Entwicklungen für das Verständnis des menschlichen Gehirns und die Schaffung adaptiver Architekturen sind auf den Gebieten der Neurowissenschaften und der Elektroniktechnologie bahnbrechend.

Schlüsselwörter:

Biomorphe adaptive Elektronik, Nanomaterialien, Nanosysteme, Neurowissenschaften, Schnittstellen zum Nervensystem