Ingegneria dei Sistemi Sensoriali e di Apprendimento

MOTIVAZIONI GENERALI

La sopravvivenza e la evoluzione degli organismi viventi e delle specie biologiche in genere, le loro reazioni e le loro interazioni sono legate al grado di complessita’ e di efficienza dell’apparato sensoriale (che acquisisce dati dall’ambiente esterno), alla capacita’ di memoria, di elaborazione e di sintesi dei dati sensoriali ed alla capacita’ di modificare sia l’ambiente che loro stessi (aspetti attuativi). La mancanza o la perdita di efficienza di uno solo di questi tre aspetti procura disadattamento ed un rallentamento dei processi cognitivi ed evolutivi.
Gli organismi biologici sono dotati di apparati sensoriali che consentono di acquisire dati dall’ambiente in cui vivono ed hanno sviluppato meccanismi di apprendimento che utilizzano i dati acquisiti per creare strutture di memoria e di riconoscimento. Mediante un duplice meccanismo di retroazione, da una parte le strutture permanenti create controllano il comportamento degli apparati sensoriali ed attuativi e dall’altra i nuovi dati forniti dai sensori possono modificare, adattandole all’ambiente, le strutture di memoria e di riconoscimento gia’ formate. Questo crea un complesso sistema dinamico che evolve nel tempo e consente a ciascun organismo ed a ciascuna specie di diversificarsi pur partendo da stati morfologicamente identici. Riprodurre artificialmente queste peculiari caratteristiche e’ uno degli obiettivi della scienza e della ingegneria in particolare, come e’ stato lucidamente enunciato nel programma di ricerca proposto da Norbert Wiener che a questo proposito conio’ il nuovo termine di cibernetica (scienza del controllo e della comunicazione nell’uomo e nella macchina).
Pur riconoscendo la notevole efficienza dell’apparato sensoriale negli organismi biologici, si puo’ tuttavia osservare una loro limitazione intrinseca che ha radici tecnologiche ed energetiche. In particolare vi sono limitazioni in frequenza sulla banda di ricezione uditiva e visiva, limitazioni in risoluzione spaziale per il tatto ed il senso di orientamento e di posizione, limitazioni nel riconoscimento di odori e di sapori (danda chimica limitata e ridotta banda gustativa) Vi e’ oggi la concreta possibilita’ tecnologica di estendere tali bande a livello artificiale per potenziare e specializzare l’apprendimento e le azioni di controllo. Vi e’ altresi’ oggi una maggiore comprensione degli algoritmi di controllo adattativi, non lineari e di apprendimento e degli algoritmi di comunicazione e si dispone di tecnologie in grado di realizzare circuiti basati su tecniche neurali di apprendimento e di riconoscimento.
Le strutture sensoriali artificiali ed i sistemi artificiali di apprendimento, di controllo e di comunicazione possono essere ingegnerizzati e proficuamente impiegati solo sulla base di conoscenze pluridisciplinari nei settori della fisica, chimica, elettronica, matematica, biologia, medicina, scienza dei materiali, del controllo e delle comunicazioni. Le difficolta’ che si incontrano ad operare a livello pluridisciplinare a livello accademico sono servite da stimolo per individuare le linee guida del nostro dottorato che considera la multidisciplinarieta’ come uno dei punti qualificanti.

CARATTERISTICHE DEL DOTTORATO

Il dottorato e’ orientato allo studio, alla progettazione, alla ingegnerizzazione ed alla sperimentazione di sistemi artificiali sensoriali, adattativi, di apprendimento e di controllo in grado di interagire con l’ambiente.
Saranno oggetto di studio, ricerca e sperimentazione le seguenti tematiche e metodologie:
-Acquisizione di dati su grandezze di tipo fisico, chimico e biologico e loro trasmissione
-Elaborazione delle informazioni con tecniche analogico-digitali, reti neurali,sistemi adattativi
-Progettazione di sistemi di controllo non lineari, adattativi basati sull’apprendimento
-Materiali e tecnologie per la costruzione di sensori innovativi
-Organizzazione di misure di grandezze fisiche, chimiche e biologiche su scala nanometrica
I settori di studio del dottorato saranno i seguenti:

Dispositivi elettronici ed optoelettronici
Rumore nei sistemi fisici e biologici
Teoria ed algoritmi per il controllo, l’adattamento, il riconoscimento, l’apprendimento
Micromacchine e microrobotica
Elettronica a bassa tensione ed a bassa potenza
Elaborazione e fusione di informazioni sensoriali
Generatori e ricettori di stimolo
Scienza dei materiali innovativi elettrofotonici e piezofotonici
Modellazione matematica di sistemi sensoriali, attuativi e di controllo
Nanodispositivi e nanosistemi
Micro e nano comunicazioni
Studio delle deformazioni in materiali innovativi
Controllo di sistemi multisensoriali a molte variabili
Algoritmi per l’attenuazione del rumore

1. MODALITA’ DELLA DIDATTICA

Durante il primo anno i dottorandi frequentano il Corso di Perfezionamento in
Principi e Metodi dell’Ingegneria delle Microstrutture che per l’anno accademico 2002/03 prevede i seguenti corsi che hanno una durata settimanale (otto ore mediamente).

A) Nanosistemi
1) Introduzione (onde, eq, Schoedinger) (D’Amico)
2) Esempi (tunneling, buche, multitunneling)(D’Amico)
3) Descrizione quantistica di nanostrutture (Di Carlo)
4) Dispositivi nanoelettronici (Di Carlo)
5) Quantum computing e crittografia (Galati)
6) Dispositivi a singolo elettrone(Evangelisti)

B) Elettronica
7) Tecniche digitali ad elevata velocità (Re)
8) Sistemi digitali riconfigurabili(Cardarilli)
9) HF Electronics( Limiti)
10) Fluttuazioni e Rumore(D’Amico)

C) Telecomunicazioni
11) Radio (Mazzenga)
12) Ottica (Betti)
13) Reti(Detti)
14) Satellitare (Luglio)
15) Navigazione satellitare (Ruggieri)

D) Pluridisciplinare
16) Tecniche di pattern recognition (Di Natale)
17) Controllo non lineare (Marino)
18) Corrosione (Gusmano)
19) C++ ( Buttarazzi)
20) Reti Neurali Cellulari (Sargeni)

Le modalita’ della verifica dell’apprendimento vengono lasciate al singolo docente: possono consistere nella lettura di articoli di riviste specializzate, esercizi da svolgere a casa o in classe.
Questa attivita’ didattica puo’essere integrata da altri corsi concordati con i singoli studenti offerti nell’ambito di corsi di laurea specialistica presso il nostro ateneo e con la partecipazione a scuole internazionali in settori specifici.
Durante il secondo anno di corso i dottorandi frequentano quattro corsi specialistici monografici, uno per ciascuna della quattro aree di ricerca nelle quali si divide il dottorato:
Algoritmi di apprendimento e di controllo
Progettazione di reti neurali e di circuiti integrati
MicroSistemi sensoriali
Optoelettronica: nanostrutture su semiconduttori organici ed inorganici.

I dottorandi sono incoraggiati a frequentare scuole nazionali ed internazionali di dottorato e minicorsi su temi specifici in Italia ed all’estero.

2. MODALITA’ DELLA RICERCA

Fin dal primo anno vengono nominati uno o piu’ tutori per ciascun dottorando ed i dottorandi vengono affiliati presso i diversi laboratori e vengono avviati ad attivita’ di ricerca , la quale viene valutata ogni anno dall’intero collegio dei docenti riunito per esaminare una relazione annuale ed una presentazione preparate dal dottorando. Fin dal primo anno i dottorandi partecipano a convegni ed a congressi internazionali presentando i propri risultati.