"Il futuro della tecnologia passa dalla fotonica". Chip per leggere i neuroni, sensori ispirati al cervello e computer sostenibili: 500 mila euro per tre ricercatori Unitn

TRENTO. Stimolare e raccogliere i segnali fluorescenti dai neuroni con un chip, costruire sensori intelligenti con idrogel ispirato al cervello, ideare computer quantistici più efficienti e sostenibili: le destinazioni sono diverse, ma in tutti e tre i casi si tratta di viaggi nelle applicazioni permesse dalla luce, ossia nella fotonica.

A tracciare la rotta sono Clara Zaccaria, Alessio Lugnan e Alessio Baldazzi, tre giovani assegnisti di ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento che in queste settimane hanno ottenuto 500 mila euro di finanziamenti complessivi per sviluppare i loro progetti da Kavli Foundation, Fondazione Volkswagen e Rotonium srl: le mete sono, rispettivamente, le interfacce neurali di nuova concezione, la sensoristica intelligente e una computazione quantistica più efficiente e sostenibile.

UN CHIP NANOFONICO PER LEGGERE I NEURONI 

Venendo ai progetti nello specifico, l'assegnista Clara Zaccaria studiarà l’attività dei neuroni con metodi ottici e genetici integrati, grazie anche al finanziamento dalla Kavli Foundation. L’idea di fondo è stimolare e monitorare con un chip fotonico cellule e circuiti del cervello. Per questo, viene specificato, Zaccaria intende porre le basi per lo sviluppo di interfacce neurali, il meno possibile invasive e inferiori ai 50 micron, dimensioni simili a quelle dei neuroni.

"I chip nanofotonici consentono, usando l’optogenetica, di attivare o inibire i circuiti neurali con un'alta risoluzione temporale e spaziale, ovvero dettagliata e mirata, e anche di registrarne l’attività elettrica" spiega Clara Zaccaria, che specifica: "Attualmente non esiste una piattaforma fotonica su scala micrometrica in grado di eseguire otticamente sia la stimolazione sia la lettura delle reti neuronali. Si mira quindi a progettare e implementare il primo chip fotonico in grado di svolgere entrambi questi compiti. Per la prima volta, le soluzioni fotoniche integrate saranno utilizzate anche per raccogliere segnali fisiologici fluorescenti dai neuroni, più specifici rispetto alla lettura elettrica".

Già oggi, viene sottolineato, ci sono strumenti di optogenetica che permettono, illuminando i neuroni, di indagare quanto accade nelle aree cerebrali più profonde, per studiare i meccanismi fisiologici ed effettuare otticamente, da fluorescenza, lo screening di una serie di parametri in diverse condizioni patologiche. 

Ma nel progetto di Clara Zaccaria si ha un’ulteriore evoluzione. "La sfida è miniaturizzare quello che attualmente viene fatto con microscopi e impianti invasivi in un chip fotonico capace di una comunicazione bidirezionale interamente ottica con le reti neuronali – puntualizza la ricercatrice – e inoltre lo sviluppo di piattaforme nanofotoniche biocompatibili è di estrema importanza per la creazione di piattaforme affidabili e portatili per la stimolazione ottica e il monitoraggio dell'attività dei neuroni, non solo per la ricerca nelle neuroscienze, ma anche per applicazioni tecnologiche e cliniche".

SENSORI INTELLIGENTI CON IDROGEL ISPIRATO AL CERVELLO

La sensoristica è un settore ampio in continua evoluzione tecnologica e che coinvolge tanti aspetti della vita, dalla diagnostica medica al monitoraggio ambientale. E proprio in questo contesto si colloca il progetto “PhotoNeuroGel” del ricercatore Alessio Lugnan, che ha ricevuto un finanziamento dalla Fondazione Volkswagen sull’iniziativa Next - Neuromorphic Computing all’interno di una collaborazione con la Johannes Gutenberg University e la University of Strathclyde.

Nel dettaglio, tutto parte da un pezzo di idrogel, materiale di cui sono fatte anche le lenti a contatto morbide e traspiranti, a cui vengono però aggiunte delle molecole speciali che gli permettono di cambiare forma e colore quando è esposto a luce di una determinata lunghezza d’onda. 

A chiarire i vantaggi del sistema è lo stesso Alessio Lugnan: "Questo idrogel funzionalizzato chimicamente permette di connettere in maniera intelligente input ottici, chimici e meccanici. In altre parole di combinare l’elaborazione di immagini, la rilevazione di composti chimici (ad esempio nell’acqua e nel corpo umano), e la percezione di vibrazioni o suono. Un po’come nel nostro cervello, dove colleghiamo e diamo un significato a immagini, odori e suoni".

L'hardware si definisce "neuromorfico", cioè ispirato alla struttura e alla funzionalità del cervello. E si basa proprio sull’idrogel che offre vantaggi di scalabilità, plasticità e integrabilità, con la fotonica che fornisce soluzioni efficienti dal punto di vista energetico, mentre la biochimica della materia soffice consente la plasticità ottica controllando la luce con la luce.

"Per la prima volta – racconta il ricercatore – l’approccio interdisciplinare del nostro team connette tre solide linee di ricerca dei nostri rispettivi laboratori a Magonza, Trento e Glasgow".

In primo luogo, verranno sviluppati idrogel fotosensibili in grado di modificare in modo complesso e reversibile le loro proprietà fisiche e chimiche quando vengono sottoposti a pattern (schemi, ndr) luminosi. Successivamente verrà utilizzata l'unità di idrogel di dimensioni millimetriche per implementare reti ottiche su larga scala con plasticità sinaptica, in cui la connettività locale conserva la memoria degli input ottici passati.

"Al tempo stesso svilupperemo dispositivi fotonici con funzionalità migliorate per future reti neurali – conclude Lugan – e, infine, esploreremo i meccanismi di trasferimento dell'informazione chimica negli idrogel con l'obiettivo di comprendere e sfruttare le dinamiche per future applicazioni multisensoriali".

SORGENTI A UNO O DUE FOTONI PER COMPUTER PIÙ EFFICIENTI E SOSTENIBILI

Venendo all'ultimo progetto, coordinato dal ricercatore Alessio Baldazzi e finanziato da Rotonium srl, l'obiettivo è quello di arrivare a computer quantistici efficienti ma anche sostenibili dal punto di vista energetico. La strada, viene sottolineato, passa da una conoscenza sempre più approfondita dei fotoni, "particelle di luce che hanno ancora molti segreti da svelare".

Nel dettaglio, si tratta di un progetto di collaborazione triennale incentrato sullo sviluppo di strumenti e circuiti quantistici innovativi in nitruro di silicio. "Si utilizza questo composto chimico perché ha delle proprietà molto interessanti – osserva Baldazzi – sia per l’efficienza di trasporto dell’informazione sia per l’ampio spettro di lunghezze d’onda su cui può operare".

Ma quali sono gli obiettivi principali? In poche parole, studiare sorgenti di singoli fotoni, sui quali poter codificare i qubit (quantum bit, l'unità di informazione quantistica, ndr) e sviluppare un chip fotonico integrato che implementi algoritmi quantistici.

"Lo sviluppo di sorgenti efficienti di singoli fotoni e/o coppie di fotoni a lunghezze d'onda dal visibile all’infrarosso è una tecnologia abilitante – spiega il ricercatore – che non solo avrà un impatto significativo sulle future applicazioni commerciali e industriali del calcolo quantistico, ma consentirà lo sviluppo di numerose altre applicazioni pratiche della fotonica quantistica".

Nello specifico, saranno approfondite le dinamiche e le varie interazioni della propagazione dell’informazione, con la vera sfida che "è creare delle sorgenti di luce quantistica", risorse fondamentali per produrre algoritmi quantistici da implementare in sistemi integrati e processori fotonici.

"Se pensiamo alle possibili applicazioni, avremo innanzitutto una computazione più efficiente e sostenibile anche dal punto di vista energetico – conclude Alessio Baldazzi – e poi, in un secondo tempo, delle prospettive promettenti per tutto il settore della comunicazione dati".

A sottolineare l'importanza delle relazioni consolidate negli anni con le aziende, a cominciare da quelle del territorio, è infine il direttore del dipartimento di fisica Gianluca Lattanzi. "Le competenze specifiche della fisica contribuiscono all'innovazione di prodotto e di processo – viene spiegato – e queste competenze saranno al centro dell’insegnamento a scelta su 'Fisica per l'innovazione tecnologica e industriale', organizzato in collaborazione con Confindustria Trento".

Le lezioni, nello specifico, saranno offerte a studenti e studentesse del corso di laurea in Fisica nel secondo semestre: l’obiettivo è aumentare in loro la consapevolezza del settore industriale come sbocco professionale, della realtà del trasferimento tecnologico e dell'importanza del pensiero critico sviluppato attraverso lo studio della fisica per l'innovazione tecnologica in azienda.