Descripción
Acrónimo: MaDEleNA
Tipología: Gran proyecto
Título completo:
Desarrollo y estudio de nanoMateriales y dispositivos inteligentes novedosos hacia aplicaciones de electrónica adaptativa y neurociencia
Duración: 01/09/2013 a 31/08/2017
Costes totales: 2.360.176,00 euros
Contribución PAT: 2.360.176,00 euros
Entidad coordinadora:
Director del proyecto: Prof. Salvatore Iannotta
Otros participantes:
- Fundación Bruno Kessler (Resp . Leandro Lorenzelli)
- Universidad de Trento (Resp. Paolo Macchi)
- Instituto de Biofísica IBF-CNR (Resp . Carlo Musio)
- Instituto de Fotónica y Nanotecnología IFN-CNR (Resp . Alessandro Chiasera)
Breve descripción del consorcio
Los socios del proyecto ofrecen conocimientos consolidados al mejor nivel internacional en ciencia de materiales (su síntesis y estudio), ciencia de dispositivos y electrónica (diseño y realización de arquitecturas electrónicas, memristores), biofísica y biología (biocompatibilidad, tejidos neuronales), todos ellos sectores fundamentales para la consecución de los objetivos finales.
Área temática OSR: Ciencia de los materiales: tecnologías micro- nano- inorgánicas e híbridas
Objetivos del proyecto
Madelena propone un enfoque altamente innovador para estudiar y proponer soluciones a cuestiones relevantes de la ciencia y la tecnología modernas, en campos tan aparentemente distantes como la electrónica y la neurociencia pero con objetivos de alto impacto productivo, social y científico.
La electrónica está evolucionando hacia la miniaturización a nanoescala para producir ordenadores con funciones y prestaciones cada vez más similares a las del cerebro humano; sin embargo, este último está dotado de patrones y de una adaptabilidad intrínseca que no pueden ser atacados por las arquitecturas electrónicas actuales. También existe una fuerte demanda de modelos que reproduzcan con precisión el comportamiento del cerebro humano, con el fin de explorar nuevos horizontes y abrir nuevas fronteras a la investigación.
Madelena se mueve precisamente en esta área de interfaz entre electrónica y neurociencia, con el doble objetivo de implementar nuevos sistemas informáticos neuro-bio-inspirados y crear modelos de hardware (dispositivos y sistemas) que imiten el cerebro humano Esto conducirá a nuevas tecnologías y nuevos enfoques metodológicos, creando un centro de excelencia en estos campos en Trento.
Estado de la técnica y mejoras que introducirá el proyecto
La arquitectura electrónica de un ordenador se basa en una red bidimensional con gran densidad de componentes, lógica no modificable y secuencial, con distintas zonas para la memoria y el cálculo. El cerebro, en cambio, se desarrolla sobre redes tridimensionales, con lógica paralela y es capaz de procesar datos y aprender en la misma ubicación física. Se han hecho esfuerzos considerables para desarrollar redes neuronales basadas en hardware tradicional, pero mientras el aprendizaje y el cálculo se desarrollen mediante software basado en estas arquitecturas, es poco probable que se consigan resultados satisfactorios.
Lo que Madelena quiere conseguir es superar esta dicotomía entre la sede de la memoria y la sede de la computación, desarrollando una electrónica "neuromórfica" que imite los sistemas neuronales, basada en "memristores", innovadores elementos electrónicos adaptativos que cambian su estado con la historia de los acontecimientos que han "experimentado" y que pueden interactuar con los tejidos neuronales para comprender sus mecanismos.
Organización del trabajo/Implantación
Los cinco socios son expertos en ciencia de materiales (IMEM, UniTN, IFN), electrónica (FBK) y diseño de arquitecturas neuromórficas (IMEM), y sistemas biológicos y neuronales (UniTN, IBF). El proyecto se estructura en torno a cinco líneas principales relacionadas con la síntesis y el estudio de materiales con propiedades memresistivas, la realización de dispositivos lógicos y arquitecturas electrónicas basadas en memristores, el desarrollo de redes neuromórficas y la creación de interfaces híbridas formadas por memristores y tejidos neuronales. Las actividades de investigación, cuya evolución temporal sigue un calendario preciso, están supervisadas por organismos específicos dentro y fuera del proyecto y cuentan con el apoyo de dos socios empresariales externos, Biomat srl y ST Italia Spa.
Impacto previsto
El proyecto pretende ante todo promover el liderazgo científico y aumentar la innovación y la competitividad en una tecnología emergente mediante la creación de una masa crítica de investigadores punteros con competencias multidisciplinares a escala local. Esto sentará las bases para una transferencia de tecnología de fuentes científicas a empresarios locales y nacionales, con una gestión cuidadosa de la propiedad intelectual. Desde este punto de vista, el desarrollo de nuevas arquitecturas basadas en memristores tanto para memorias como para redes adaptativas supondrá un verdadero punto de inflexión para la electrónica. Además, el potencial del enfoque híbrido original de las biointerfaces memristor/neurona tendrá repercusiones que pueden ir mucho más allá del ámbito local.
Resultados previstos
Se desarrollarán
- Arquitecturas electrónicas deterministas pero basadas en memristores, es decir, en las que tengan lugar operaciones lógicas con una capacidad de aprendizaje intrínseca.
- redes neuromórficas estocásticas, basadas en una distribución aleatoria de memristores individuales, para reproducir la red de conexiones sinápticas y estudiar el aprendizaje en el cerebro
- biointerfaces híbridas entre memristores y tejidos neuronales para el intercambio bidireccional de señales, superando las limitaciones actuales debidas al uso de electrodos biocompatibles y electrónica estándar.
Muchos de los esfuerzos se dirigen a lograr una alta fiabilidad de los elementos memristores individuales, así como de las arquitecturas y biointerfaces, lo cual es crucial para determinar el éxito del proyecto. El enfoque híbrido es sin duda el aspecto más original y el mayor reto del proyecto, pero los posibles desarrollos futuros para comprender el cerebro humano y crear arquitecturas adaptativas son disruptivos en los campos de la neurociencia y la tecnología electrónica.
Palabras clave:
Electrónica adaptativa biomórfica, nanomateriales, nanosistemas, neurociencia, interfaces con el sistema nervioso