MaDEleNA

Acrônimo: MaDEleNA

Tipologia: Projeto de grande porte

Título completo:

Desenvolvimento e estudo de novos nanoMateriais e dispositivos inteligentes para aplicações em eletrônica adaptativa e neurociência

Duração: 01/09/2013 a 31/08/2017

Custos totais: 2.360.176,00 euros

Contribuição do PAT: 2.360.176,00 euros

Entidade coordenadora:

Instituto de Materiais para Eletrônica e Magnetismo do Conselho Nacional de Pesquisa - IMEM-CNR

Gerente de projeto: Prof. Salvatore Iannotta

Outros participantes:

• Fundação Bruno Kessler (Resp . Leandro Lorenzelli)
• Universidade de Trento (Res p. Paolo Macchi)
• Instituto de Biofísica IBF-CNR (Resp . Carlo Musio)
• Instituto de Fotônica e Nanotecnologia IFN-CNR (Resp . Alessandro Chiasera)

Breve descrição do consórcio

Os parceiros do projeto oferecem conhecimento consolidado nos melhores níveis internacionais em ciência de materiais (sua síntese e estudo), ciência de dispositivos e eletrônica (design e realização de arquiteturas eletrônicas, memristores), biofísica e biologia (biocompatibilidade, tecidos neuronais), todos setores fundamentais para atingir os objetivos finais.

Área temática OSR: Ciência dos materiais: tecnologias micro, nano, inorgânicas e híbridas

Objetivos do projeto

Madelena propõe uma abordagem altamente inovadora para estudar e propor soluções para questões relevantes da ciência e da tecnologia modernas, em campos aparentemente tão distantes quanto a eletrônica e a neurociência, mas com objetivos de alto impacto produtivo, social e científico.

A eletrônica está evoluindo em direção à miniaturização em nanoescala para produzir computadores com funções e desempenho cada vez mais semelhantes aos do cérebro humano; no entanto, este último é dotado de padrões e de uma adaptabilidade intrínseca que não pode ser atacada pelas arquiteturas eletrônicas atuais. Há também uma grande demanda por modelos que reproduzam precisamente o comportamento do cérebro humano, a fim de explorar novos horizontes e abrir novas fronteiras para a pesquisa.

Madelena está se movendo precisamente nessa área de interface entre eletrônica e neurociência, com o duplo objetivo de implementar novos sistemas de computação inspirados na neurobiologia e criar modelos de hardware (dispositivos e sistemas) que imitem o cérebro humano. Isso levará a novas tecnologias e novas abordagens metodológicas, criando um centro de excelência nesses campos em Trento.

Estado da arte e aprimoramentos que serão introduzidos pelo projeto

A arquitetura eletrônica de um computador é baseada em uma rede bidimensional com alta densidade de componentes, lógica não modificável e sequencial, com diferentes zonas para memória e computação. O cérebro, por outro lado, desenvolve-se em redes tridimensionais, com lógica paralela e é capaz de processar dados e aprender no mesmo local físico. Foram feitos esforços consideráveis para desenvolver redes neurais com base em hardware tradicional, mas enquanto o aprendizado e a computação forem desenvolvidos por software com base nessas arquiteturas, é improvável que sejam obtidos resultados satisfatórios.

O que Madelena quer alcançar é superar essa dicotomia entre a sede da memória e a sede da computação, desenvolvendo eletrônicos "neuromórficos" que imitam os sistemas neuronais, com base em "memristores", elementos eletrônicos inovadores e adaptáveis que mudam seu estado com o histórico dos eventos que "vivenciaram" e que podem interagir com tecidos neuronais para entender seus mecanismos.

Organização/Implementação do trabalho

Os cinco parceiros têm experiência em ciência de materiais (IMEM, UniTN, IFN), eletrônica (FBK) e design de arquitetura neuromórfica (IMEM), sistemas biológicos e neuronais (UniTN, IBF). O projeto está estruturado em cinco linhas principais relacionadas à síntese e ao estudo de materiais com propriedades memresistivas, à realização de dispositivos lógicos e arquiteturas eletrônicas baseadas em memristores, ao desenvolvimento de redes neuromórficas e à criação de interfaces híbridas formadas por memristores e tecidos neuronais. As atividades de pesquisa, cuja evolução temporal segue um cronograma preciso, são monitoradas por órgãos específicos dentro e fora do projeto e contam com o apoio de dois parceiros empresariais externos, a Biomat srl e a ST Italia Spa.

Impacto esperado

O projeto visa, antes de tudo, promover a liderança científica e aumentar a inovação e a competitividade em uma tecnologia emergente, criando uma massa crítica de pesquisadores de ponta com habilidades multidisciplinares em nível local. Isso estabelecerá as bases para uma transferência de tecnologia de fontes científicas para empreendedores locais e nacionais, com um gerenciamento cuidadoso da propriedade intelectual. Desse ponto de vista, o desenvolvimento de novas arquiteturas baseadas em memristores para memórias e redes adaptativas será um verdadeiro ponto de virada para a eletrônica. Além disso, o potencial da abordagem híbrida original das biointerfaces memristor/neurônio terá efeitos secundários que podem ir muito além da área local.

Resultados esperados

Serão desenvolvidos:

• Arquiteturas eletrônicas determinísticas, mas baseadas em memristores, ou seja, onde as operações lógicas ocorrem com uma capacidade de aprendizagem intrínseca
• redes neuromórficas estocásticas, baseadas em uma distribuição aleatória de memristores individuais, para reproduzir a rede de conexões sinápticas e estudar o aprendizado no cérebro
• biointerfaces híbridas entre memristores e tecidos neuronais para a troca bidirecional de sinais, superando as limitações atuais devido ao uso de eletrodos biocompatíveis e componentes eletrônicos padrão.

Muitos dos esforços têm como objetivo obter alta confiabilidade dos elementos individuais do memristor, bem como das arquiteturas e biointerfaces, o que é fundamental para determinar o sucesso do projeto. A abordagem híbrida é, sem dúvida, o aspecto mais original e o maior desafio do projeto, mas os possíveis desenvolvimentos futuros para a compreensão do cérebro humano e a criação de arquiteturas adaptativas são revolucionários nos campos da neurociência e da tecnologia eletrônica.

Palavras-chave:

Eletrônica adaptativa biomórfica, nanomateriais, nanossistemas, neurociência, interfaces para o sistema nervoso