Description
Acronyme : MaDEleNA
Typologie : Grand projet
Titre complet :
Développement et étude de nouveaux nanomatériaux et dispositifs intelligents pour l'électronique adaptative et les applications neuroscientifiques
Durée : 01/09/2013 au 31/08/2017
Coût total : 2 360 176,00 euros
Contribution PAT : Euro 2,360,176.00
Entité coordinatrice :
Chef de projet : Prof. Salvatore Iannotta
Autres participants :
- Fondation Bruno Kessler (Resp. Leandro Lorenzelli)
- Université de Trente (Resp. Paolo Macchi)
- Institut de biophysique IBF-CNR (Resp . Carlo Musio)
- Institut de photonique et de nanotechnologie IFN-CNR (Resp . Alessandro Chiasera)
Brève description du consortium
Les partenaires du projet offrent des connaissances consolidées au meilleur niveau international en science des matériaux (leur synthèse et leur étude), en science des dispositifs et en électronique (conception et réalisation d'architectures électroniques, memristors), en biophysique et en biologie (biocompatibilité, tissus neuronaux), autant de secteurs fondamentaux pour atteindre les objectifs finaux.
Domaine thématique de l'OSR : Science des matériaux : technologies micro-, nano-, inorganiques et hybrides
Objectifs du projet
Madelena propose une approche très innovante pour étudier et proposer des solutions à des questions pertinentes de la science et de la technologie modernes, dans des domaines apparemment éloignés comme l'électronique et les neurosciences, mais avec des objectifs à fort impact productif, social et scientifique.
L'électronique évolue vers une miniaturisation à l'échelle nanométrique pour produire des ordinateurs dont les fonctions et les performances sont de plus en plus proches de celles du cerveau humain ; toutefois, ce dernier est doté de schémas et d'une adaptabilité intrinsèque qui ne peuvent être attaqués par les architectures électroniques actuelles. Il existe également une forte demande pour des modèles qui reproduisent précisément le comportement du cerveau humain, afin d'explorer de nouveaux horizons et d'ouvrir de nouvelles frontières à la recherche.
Madelena évolue précisément dans ce domaine de l'interface entre l'électronique et les neurosciences, avec le double objectif de mettre en œuvre de nouveaux systèmes informatiques neuro-bio-inspirés et de créer des modèles matériels (dispositifs et systèmes) qui imitent le cerveau humain.
État de l'art et améliorations qui seront introduites par le projet
L'architecture électronique d'un ordinateur est basée sur un réseau bidimensionnel avec une forte densité de composants, une logique non modifiable et séquentielle, avec différentes zones pour la mémoire et le calcul. Le cerveau, quant à lui, se développe sur des réseaux tridimensionnels, avec une logique parallèle, et est capable de traiter des données et d'apprendre au même endroit. Des efforts considérables ont été déployés pour développer des réseaux neuronaux basés sur du matériel traditionnel, mais tant que l'apprentissage et le calcul seront développés par des logiciels basés sur ces architectures, il est peu probable que l'on obtienne des résultats satisfaisants.
Madelena souhaite surmonter cette dichotomie entre le siège de la mémoire et le siège du calcul en développant une électronique "neuromorphique" qui imite les systèmes neuronaux, basée sur des "memristors", des éléments électroniques adaptatifs innovants qui changent d'état en fonction de l'historique des événements qu'ils ont "vécus" et qui peuvent s'interfacer avec des tissus neuronaux afin d'en comprendre les mécanismes.
Organisation du travail/mise en œuvre
Les cinq partenaires ont une expertise en science des matériaux (IMEM, UniTN, IFN), en électronique (FBK) et en conception d'architectures neuromorphiques (IMEM), ainsi qu'en systèmes biologiques et neuronaux (UniTN, IBF). Le projet s'articule autour de cinq axes principaux relatifs à la synthèse et à l'étude de matériaux à propriétés mémoires, à la réalisation de dispositifs logiques et d'architectures électroniques basés sur des memristors, au développement de réseaux neuromorphiques et à la création d'interfaces hybrides formées de memristors et de tissus neuronaux. Les activités de recherche, dont l'évolution temporelle suit un calendrier précis, sont suivies par des organismes spécifiques internes et externes au projet et sont soutenues par deux partenaires entrepreneuriaux externes, Biomat srl et ST Italia Spa.
Impact attendu
Le projet vise avant tout à promouvoir le leadership scientifique et à accroître l'innovation et la compétitivité dans une technologie émergente en créant une masse critique de chercheurs de pointe dotés de compétences multidisciplinaires au niveau local. Cela permettra de jeter les bases d'un transfert de technologie des sources scientifiques vers les entrepreneurs locaux et nationaux, avec une gestion attentive de la propriété intellectuelle. De ce point de vue, le développement de nouvelles architectures basées sur les memristors pour les mémoires et les réseaux adaptatifs constituera un véritable tournant pour l'électronique. De plus, le potentiel de l'approche hybride originale des biointerfaces memristors/neurones aura des retombées qui pourront dépasser largement le cadre local.
Résultats attendus
Seront développés :
- des architectures électroniques déterministes mais basées sur des memristors, c'est-à-dire où des opérations logiques ont lieu avec une capacité d'apprentissage intrinsèque
- des réseaux neuromorphiques stochastiques, basés sur une distribution aléatoire de memristors individuels, pour reproduire le réseau de connexions synaptiques et étudier l'apprentissage dans le cerveau
- des biointerfaces hybrides entre les memristors et les tissus neuronaux pour l'échange bidirectionnel de signaux, surmontant les limitations actuelles dues à l'utilisation d'électrodes biocompatibles et d'électronique standard.
De nombreux efforts visent à atteindre une grande fiabilité des éléments individuels des memristors, ainsi que des architectures et des biointerfaces, ce qui est crucial pour déterminer le succès du projet. L'approche hybride est certainement l'aspect le plus original et le plus grand défi du projet, mais les développements futurs possibles pour comprendre le cerveau humain et créer des architectures adaptatives sont perturbateurs dans les domaines des neurosciences et de la technologie électronique.
Mots-clés :
Electronique adaptative biomorphique, nanomatériaux, nanosystèmes, neurosciences, interfaces avec le système nerveux