Micro e nanodispositivi superconduttivi ad interferenza quantistica e strumentazione avanzata per biomedicina

Si studiano e realizzano dispositivi superconduttivi sia da un punto di vista dei principi fisici di funzionamento che dalle applicazioni. In particolare si progettano e realizzano dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica (SQUIDs) e si sviluppa strumentazione prototipale basata su tali dispositivi nell’ambito di progetti a carattere interdisciplinare per impieghi in biomedicina, nanomagnetismo, geofisica, microscopia magnetica, ed esperimenti di Fisica fondamentale. Si affrontano tematiche proprie del decadimento dallo stato metastabile in micro-e nano-dispositivi Josephson per misure di fenomeni quantistici macroscopici e di coerenza quantistica macroscopica anche in vista dell’allungamento dei tempi di decoerenza di quantum bit superconduttivi. Si studiano anche i meccanismi dibase legati alla rottura spontanea della simmetrica in strutture basate sull’effetto Josephson. Nell’ambito delle Nanotecnologia, Materiali e Dispositivi compositi ci si occupa della progettazione e fabbricazione di micro- e nano dispositivi attraverso processi di tipo “top-down”.

Si affrontano tematiche proprie della superconduttività, dei dispositivi e sensori quantici, delle nanotecnologie per applicazioni in elettronica, della sensoristica superconduttiva e della strumentazione avanzata per biomedicina. In particolare vengono curati aspetti prevalentemente applicativi legati allo sviluppo di tecnologie abilitanti e all’integrazione di componentistica superconduttiva in sistemi e strumentazione innovativa realizzata nell’ambito di progetti a carattere interdisciplinare. In particolare sono temi di ricerca: sensoristica SQUID realizzata con superconduttori a bassa temperatura critica (LTS),dispositivi basati sull’effetto Josephson e strumentazione avanzata basata su sensori SQUID per Biomedicina.

Obiettivi specifici riguardano:l’implementazione delle conoscenze nel campo della fisica, della tecnologia e delle applicazioni di dispositivi superconduttivi (SQUIDs); il trasferimento tecnologico; la realizzazione ed impiego di strumentazione innovativa di interesse biomedico, geofisico e aeronautico; la loro eventuale produzione su piccola scala ed il trasferimento tecnologico; la realizzazione e l’impiego di strumentazione innovativa che integri la componentistica sviluppata e l’operatività di laboratori aperti anche ad utenza esterna (micro e nano fabbricazione, diagnostica avanzata di materiali e di interesse biomedico). Ulteriori obiettivi sono l’approfondimento delle conoscenze di base della fisica di giunzioni Josephson planari aventi diverse configurazioni geometriche in presenza di campi magnetici perpendicolari o non uniformi e lo studio del decadimento da stati metastabili in dispositivi Josephson che è il processo base di importanti fenomeni quali la Coerenza Quantistica Macroscopica e la Computazione Quantistica (qubit).

Lo sviluppo di dispositivi SQUID sia micrometrici che nanometrici e le relative applicazioni, possono contribuire significativamente al trasferimento tecnologico verso l’industria nazionale segnatamente nello sviluppo di componentistica, di strumentazione innovativa e nella realizzazione di sistemi diagnostici avanzati. Va citata la possibilità concreta di contribuire significativamente al trasferimento tecnologico verso l’industria nazionale di know-how e di prototipi realizzati dalla commessa, con sistemi innovativi e diagnostica avanzata, per applicazioni in ambito biomedicale.

SQUID RESEARCH ACTIVITY

Sviluppo e validazione di metodologie in biomedicina e nanoscienze: materiali innovativi, sensori e dispositivi fotonici

Le attività della Commessa hanno come obiettivo generale lo sviluppo di nuove metodologie che utilizzando materiali innovativi e dispositivi micro e nanostrutturati possano essere impiegate per rispondere a problematiche sulla salute umana e sull’ambiente. A tal fine la commessa è caratterizzata da competenze multidisciplinari, che fondono biologia molecolare, cellulare ed animale a competenze di ottica, nanofotonica,materiali, magnetismo, magnetoencefalografia.

I tre moduli in cui la commessa è strutturata affrontano nel dettaglio le singole discipline, e parallelamente sviluppano metodologie all’interfaccia fisica/biologia. Per esempio le attività di progettazione,fabbricazione e caratterizzazione di nano dispositivi e metamateriali attivi sviluppate nell’ambito del modulo sono utilizzate, nell’ambito della Commessa,per applicazioni biologiche, cosi’ come le tecniche termografiche spaziano in settori applicativi diversi quali sicurezza, medicina, energia e ambiente e i sensori superconduttivi vengono utilizzati per diagnostica medica avanzata. In particolare progettiamo ed impieghiamo dispositivi nano-ingegnerizzati/nanostrutturati per lo studio di processi biologici mediante stimoli fisici (luce, campo magnetico/elettrico) a fini diagnostici/terapeutici.

Le competenze multidisciplinari vengono impiegate per affrontaretematiche di nanoscienze, fotonica, biologia e biomedicina.

Le diverse attività di ricerca includono:

1. tematiche delle nanotecnologie e dei materiali e dispositivi fotonici, di nano sistemi a base polimerica e ibrido organico-inorganico, di metamateriali metallici per applicazioni in nano fotonica, optoelettronica,biosensoristica e nanoplasmonica. Inoltre, viene impiegata l’analisi termografica in contesti di ricerca, come la dermatologia, l’ambiente, i beni culturali, l’agricoltura e il risparmio energetico.

2. Sviluppo e validazione di nano e micro dispositivi per la medicina rigenerativa: controllo spazio-temporale di pathways genetici coinvolti nello sviluppo e nella rigenerazione tissutale

3. Nanotossicologia: valutazione della tossicità delle nanoparticelle ingegnerizzate in invertebrati acquatici (idra e nematostella). Impatto sullo sviluppo embrionale: embriotossicologia

4. Proprietà elettriche di membrana di differenti tipi cellulari in risposta a stimoli elettrici, chimici e farmacologici. Modellizzazione computazionale dell’attività elettrica del neurone e della singola sinapsi.

Alcune attività già in corso nell’ambito di progetti finanziati hanno come obiettivo i) la progettazione,realizzazione e caratterizzazione di metamateriali e dispositivi fotonici da impiegare come elementi diffrattivi in OLED, per plasmonica e nanobiosensoristica ii) utilizzo di termografia IR in medicina, ambiente e beni culturali iii) utilizzo in campo agricolo di nuovi film fotoriflettenti per la riduzione del consumo di acqua. Altre attivitànell’ambito della biomedicina riguardano i) l’imaging funzionale delle attività cerebrali mediante magnetoencefalografia ii) caratterizzazione delle proprietà elettriche di membrana di cellule neuronali e non mediante patch clamp, l’integrazione sinaptica sul singolo neurone con approcci modellistico-computazionale iii)progettazione, validazione e analisi tossicologica di nanodispositivi perla modulazione di pathways molecolari mediante stimoli fisici (luce, campo magnetico/elettrico).

NANOBIOMOLECULAR GROUP

LABORATORIO DI ELETTROFISIOLOGIA

GRUPPO DI NANOFOTONICA

LABORATORIO DI TERMOGRAFIA (LIRT)

LABORATORIO DI MAGNETOENCEFALOGRAFIA

Sistemi Informativi Distribuiti per il WebSemantico

Le attività in corso, da proseguire nel 2014, ricadono nell’ambito delle tematiche dei sistemi distribuiti orientati al web semantico.In particolare riguardano lo sviluppo di metodologie, verificate attraverso la costruzione di prototipi in laboratorio e sul campo, per la progettazione e realizzazione di sistemi distribuiti e cooperativi per la gestione di contenuti. Le competenze che saranno utilizzate riguardano lo sviluppo di sistemi informativi distribuiti e cooperativi sia per quanto riguarda gli aspetti dell’architettura software,orientata al web semantico,che alla integrazione ed interoperabilità dei contenuti. In questo contesto si intende ulteriormente sviluppare le problematiche delle emergenti metodologie basate sulla programmazione orientata a servizi e delle tecnologie connesse(Web Services), nonché l’utilizzo di ontologie per catturare alcuni aspetti semantici dei contenuti. In questo ambito obiettivi preminenti saranno lo sviluppo di prototipi di sistemi software distribuiti che siano: modulari,eterogenei,dinamici e inter operabili ed utilizzano ontologie per l’integrazione semantica dei contenuti.

Le attività che si intendono svolgere ricadono nell’ambito delle tematiche del web semantico e dell’information grid. In particolare le attività riguardano lo sviluppo di metodologie, verificate attraverso la costruzione di prototipi in laboratorio e sul campo, per la progettazione e realizzazione di sistemi distribuiti di gestione di contenuti.L’architettura di questi sistemi dovrà essere aperta ed utilizzare:i servizi web per la implementazione della cooperazione, e la metodologia delle ontologie e dei servizi di ragionamento per la implementazione di depositi distribuiti di conoscenze dei relativi sistemi di accesso. Tenendo conto che i sistemi distribuiti cooperanti sono composti non solo da un’infrastruttura di rete ma anche da un insieme di applicazioni/componenti software, che garantiscono la funzionalità complessive, si intende approfondire la metodologia di rappresentazione delle interazioni tra le componenti software così da derivare un modello di monitoraggio pro-attivo dell’intero sistema.

L’integrazione di conoscenze eterogenee è una problematica determinante per la costruzione di sistemi informativi distribuiti e cooperanti. A questo scopo si stanno analizzando e sviluppando diverse metodologie e tecnologie. La gestione di sorgenti eterogenee, appartenenti ad un sistema geograficamente esteso, è un processo complesso non del tutto canonizzato. Con l’avvento del web queste criticità sono state portate all’attenzione degli utenti Internet. Queste problematiche sono affrontate sia dalla comunità del web semantico sia della comunità Grid. Nell’ambito dell’iniziativa del web semantico particolare attenzione è data allo sviluppo di metodologie di progetto delle ontologie così da essere computazionalmente utilizzabili in ambito distribuito e semanticamente espressive. Nell’ambito della comunità Grid particolare attenzione è posta nella descrizione delle funzionalità dei servizi e delle interazioni delle relative componenti software. Infatti,in una griglia computazionale è di grande importanza sia la scoperta dei servizi,tra loro funzionalmente equivalenti, all’interno della comunità dinamica di risorse cooperanti, sia le garanzie del loro corretto funzionamento.

L’unità di ricerca dispone di infrastrutture di rete locale su cui sono collocati circa 20 PC server che costituiscono la nuvola su cui sono sviluppati e controllati i sistemi di gestione documentale distribuita. Dispone di un’aula informatica di 16 postazioni di tipo studente,con cui vengono svolti le sessioni di addestramento all’utilizzo dei prototipi sviluppati, nonchè la sua collocazione sul mercato. Dispone di sistemi di memorizzazione di grosse moli di dati per un totale di circa 2 terabytes.

Negli ultimi anni sono stati sviluppati prototipi di ambienti software per: la gestione di contenuti multimediali, il Content Management System Octapy, la componente Map Server, ed un ambiente per lo sviluppo e l’utilizzo di ontologie, Ontology Server, nell’ambito dei progetti ‘Museo Virtuale di “Napoli: Rete dei Musei Napoletani” (MIUR) e il progetto SIABEC finanziato dal CdRC INNOVA E GEO2 POR Campania misura 3.16.

Gli obiettivi di ricerca che si intendono sviluppare riguardano la messa a punto di metodologie di sviluppo di sistemi distribuiti e cooperanti per la gestione di informazioni/conoscenze provenienti da sorgenti eterogenee. Le metodologie che si intendono approfondire e sviluppare riguardano quella utilizzante la programmazione orientata a servizi e le tecnologie connesse consente di tener conto dell’ eterogenità dei contenuti. Le metodologie che si intendono sviluppare saranno verificate sia in aboratorio sia sul campo, nel dominio dei beni culturali. Ciò è reso possibile dal fatto che si è ‘laboratorio’, costituito da più diversi cluster distribuiti, per un totale di più di cento nodi digestione di contenuti. Nodi eterogenei per hardware, i sistemi software dei contenuti gestiti.

Interfacce Intelligenti

La commessa ha come scopo lo studio, la progettazione e la realizzazione di interfacce e sistemi che presentano forme di intelligenza nella loro risposte. Lo studio della rappresentazione più idonea al particolare dominio applicativo e l’apparato inferenziale scelto, giocano un ruolo fondamentale per tali sistemi. La commessa si occupa di: ragionamento spaziale per la costruzione di sistemi che eseguono inferenze nella visualizzazione di scene,nell’attività di progettazione di artefatti e nella pianificazione di interventi in edilizia;sistemi cognitivi aventi stati mentali rappresentati mediante credenze,intenzioni e scopi; sistemi ibridi neuro simbolici per la percezione e il ragionamento in diversi farmaciaitaly.com/levitra.html domini applicativi in particolare della robotica e della videosorveglianza; modellazione dell’utente, integrati con aspetti della personalità (sistemi per la pianificazione di visite culturali);video annotazione e relative interfacce di visualizzazione; interoperabilità fra basi e conoscenze distribuite nel settore urbanistico; agenti razionali perla gestione virtuale delle risorse delle imprese; sistemi di simulazione evolutiva di aiuto alla progettazione architettonica urbana.

Agenti di dialogo per l’estrazione di profili utente e per lo studio dello stato mentale degli agenti durante il dialogo. Estrazione automatica di informazione estratta da insieme di dati non strutturati o semi-strutturati (linguaggio naturale, pagine web) -tematica di ricerca orientata alla costruzione di sistemi interattivi di dialogo in linguaggio naturale per la pianificazione di visite culturali alle città e ai musei. Un’attività rilevante della ricerca della commessa è dedicata alla fruizione di oggetti d’arte, la costruzione attraverso mashup semantico di artefatti multimediali, produzioni di video e assistenza alla fruizione. In tale ambitola commessa esegue ricerche per la costruzione di architetture perla gestione multimodale in linguaggio naturale, voce, sonoro e video con componenti di realtà aumentata. Fanno parte delle tematiche della commessa studi di semiologia dell’audiovisivo in particolare una ricerca riguardante modelli cognitivi di comprensione di film in ambito cinematografico. Altra tematica di ricerca riguarda i sistemi ibridi neurosimbolici (weightless systemBDI agents)nell’ambito della visione attiva e percezione attesa(robotica).

Le future interfacce utente dovranno facilitare non più la sola Interazione Uomo-Macchina, ma una più articolata Interazione Uomo Rete, ossia,un’interazione che consenta uno scambio di conoscenze tra il singolo, con le proprie credenze e abilità, e la comunità della rete che possiede riferimenti semiotici e culturali diversi. In questo ambito, l’estrazione automatica ci permette di arricchire la base di conoscenza attraverso l’annotazione automatica di concetti estratti da risorse presenti multimediali nel web.Inoltre, gli agenti di dialogo permetto la costruzione di nuovi paradigmi di interazione basati sul linguaggio naturale.
Sul versante delle ricerche neuro simboliche la possibilità di equipaggiare un robot di un sistema di percezione attesa e visione attiva è uno degli obiettivi attuali della comunità scientifica di settore che per finalità ha quella di ridurre i tempi di controllo del sistema in ambienti conosciuti e(soprattutto)non conosciuti.

Le competenze per lo svolgimento della commessa si collocano principalmente nel settore disciplinare dell’Intelligenza Artificiale. In tale ambito i ricercatori della commessa hanno da tempo sviluppato le loro attività di ricerca e prodotto diverse pubblicazioni percorso che ha conferito loro una solida esperienza nel settore.Le competenze della commessa si arricchiscono continuamente sia con la partecipazione a progetti applicativi esterni, sia attraverso un’ampia sperimentazione che include anche l’attuazione di stage e tesi di studenti dell’Università Parthenope di Napoli e l’istituto Universitario Martucci di Salerno.

Le tecnologie e le metodologie impiegate sono principalmente tecniche di rappresentazione della conoscenza. Per molte attività del gruppo di ricerca quali la modellazione utente, il ragionamento spaziale e temporale ed evoluzione di conoscenze, vengono adottate metodologie di rappresentazione basate su ontologie. Le ontologie realizzate sono costruite con particolari assiomatiche mediante tecniche e strumenti della programmazionel ogica (Prolog, Frame Logic,.,).
In relazioni ad applicazioni di ambito videosorveglianza sono impiegate tecniche proprie dei sistemi neurosimbolici, ossia di sistemi ibidri che fanno uso sia delle tecniche delle reti neuronali sia delle tecniche della rappresentazione simbolica.
Per le attività legate all’elaborazione del linguaggio naturale sono utilizzati strumenti e tecnologie classiche quali parser ed analizzatori sintattici, ed inoltre vengono adottati approcci che combinano metodologie basate sulla definizione di regole formali con metodologie basate su tecniche di macchine learning.

Utilizzando le competenze teoriche acquisite nei campi dei sistemi ad agenti, delle ontologie, del ragionamento spaziale e temporale, dei sistemi ibridi neurosimbolici e nell’ambito dell’elaborazione del linguaggio naturale, si prevede di applicare tali competenze per la realizzazione di sistema di aiuto alla pianificazione di visita ad una città ed ai siti d’arte.
A riguardo del progetto Cheese si intende analizzare e proporre una nuova modalità di fruizione dei beni museali che integri il linguaggio naturale,realtà aumentata, interazione gestuali e ragionamento temporale per costruire una interazione con l’utente al fine di pervenire ad una fruizione del bene culturale in relazione a diversi contesti temporali.

Si intende utilizzare le tecniche acquisite durante lo studio dell’elaborazione del linguaggio naturale per lo sviluppo di sistemi di dialogo innovativi, che si adattino alle necessita degli utenti e che siano in grado di acquisire informazioni da sorgenti esterne mediante l’estrazione automatica dell’informazione.

Rappresentazione, Analisi e Descrizionedi Immagini 2D e 3D

Lo sviluppo di modelli, metodi e algoritmi per la segmentazione, la rappresentazione, la descrizione e la compressione di immagini 2D e 3D, singole e in sequenza, a livelli di grigio o a colori, e a diversa risoluzione, insieme alla valutazione e promozione dei metodi sviluppati in specifici contesti applicativi costituiscono gli obiettivi primari che verranno perseguiti.

Per raggiungere tali obiettivi la strategia che verrà adottata è quella di sviluppare nuovi modelli e metodi, integrandoli eventualmente con altri metodi esistenti, operando prevalentemente nei settori di DigitalGeometry & Topology, Pattern Recognition e Computer Vision. Ciò comporterà l’uso prevalente di tecniche discrete e l’eventuale integrazione con tecniche continue. Poiché l’analisi e il trattamento delle immagini digitali ha un vasto campo di applicazione, il potenziale impiego dei metodi sviluppati può costituire un valido strumento in molteplici settori applicativi di diversa natura.

Nel triennio 2013-2015,l’attività di ricerca riguarderà prevalentemente lo studio e sviluppo di metodi discreti di analisi di immagini 2D e 3D in dati multimediali e per diversi campi applicativi. Le principali tematiche di ricerca saranno nei seguenti settori: Digital Geometry and Topology (estensione allo spazio discreto di nozioni e concetti definiti nel continuo), Image Processing (elaborazione di immagini a colori, metodi di compressione), Pattern Recognition e Computer Vision (tecniche di segmentazione,metodi di rappresentazione discreta di oggetti in due e tre dimensioni e metodi di rappresentazione in multirisoluzione che consentano una riduzione della dimensionalità e forniscano una versione schematica ad alto livello degli oggetti, metodi di decomposizione di oggetti dalla forma complessa in parti semplici nell’ambito dell’approccio strutturale alla descrizione), Feature Extraction (estrazione di proprietà geometriche, topologiche e morfologiche).Inoltre si avvierà una nuova linea di ricerca nel settore della biometria per possibili applicazioni in videosorveglianza e sicurezza.

Parte dell’attività di ricerca in Pattern Recognition è orientata all’utilizzo delle metodologie disponibili perla soluzione di problemi in applicazioni di interesse generale. Ai settori applicativi tradizionali (medicina e salute, industria, beni culturali,astronomia,agricoltura, ecc.) se ne sono aggiunti altri che possono beneficiare del supporto fornito dalla ricerca (si pensi ad esempio al settore di Forensic Pattern Recognition che sta ricevendo un consistente interesse).Nell’attività applicativa i ricercatori hanno dovuto adattare le metodologie stesse al tipo di immagini da elaborare, al problema specifico e al livello di dettaglio desiderabile per la soluzione. Parallelamente è continuata l’attività di ricerca teorica per fornire nuovi strumenti più efficienti di quelli disponibili o in grado di risolvere problemi ancora aperti e affrontare nuove sfide. La letteratura recente mostra interesse per lo sviluppo di nuovi metodi per segmentazione, rappresentazione, analisi ed elaborazione di immagini digitali, per estrarre da queste gli oggetti di interesse, ridurne la dimensionalità, effettuarne l’analisi e la descrizione, e facilitarne memorizzazione e trasmissione.

Le competenze disponibili presso la commessa e rilevanti per lo svolgimento dell’attività di ricerca proposta sono nei settori di Pattern Recognition, Computer Vision, Digital Geometry and Topology, e Mathematical Morphology, come è testimoniato dalle numerose pubblicazioni scientifiche prodotte. In effetti, i ricercatori della commessa hanno operato nei predetti settori sin dall’inizio della loro attività lavorativa nel CNR, conquistando un ruolo significativo nell’ambito della comunità scientifica internazionale, inparticolare attraverso l’International Association for Pattern Recognition IAPR, e in quella nazionale attraverso il Gruppo Italiano di Ricercatori in Pattern Recognition GIRPR. Ricercatori della commessa hanno infatti un ruolo attivo e di primo piano tanto nella IAPR chenel GIRPR.

Le tecnologie impiegate saranno principalmente di tipo discreto. L’immagine digitale, presente in memoria informa di array discreto in 2 o 3 dimensioni, verrà direttamente analizzata con operatori locali discreti con limitato supporto di elementi immagine(pixel/voxel), senza cioè far ricorso a opportune tecniche che consentano di generare un modello continuo degli oggetti presenti nell’immagine digitale,seguite dall’uso di strumenti di tipo matematico per ottenere una soluzione nel continuo che, infine, dovrebbe essere nuovamente discretizzata per consentirne la visualizzazione sotto forma di immagine elaborata. Il vantaggio nell’uso di tecniche discrete è di ottenere direttamente la soluzione in forma di array discreto, quindi immediatamente visualizzabile. Schemi di rappresentazione di immagini in multirisoluzionesaranno adottati o sviluppati nell’ambito di tecniche dicompressione/decompressione dati e per rendere più vantaggiosi da un punto di vista computazionale alcuni degli algoritmi proposti.Tecniche di geometria e topologia digitale saranno utilizzate soprattutto per la rappresentazione di oggetti 3D e 2D.

In tutti i settori in cui il software per il trattamento e l’analisi di immagini è necessario. Esempi tipici sono l’automazione industriale, per il controllo di qualità nell’ industria meccanica, alimentare,manifatturiera, ecc.; analisi di documenti per l’informatizzazione di archivi,per l’estrazione di informazioni da mappe, perla manipolazione di documenti ipertestuali in dati multimediali; la robotica per il controllo attraverso processi visivi del moto del robot; l’analisi di video sequenze per identificare e tracciare oggetti in moto; beni culturali per il monitoraggio e per la creazione di musei virtuali; medicina e salute per diagnostica per immagini, telemedicina, chirurgia assistita; la biometria per quanto riguarda riconoscimento di facce, impronte digitali, iride, ecc.

L’obiettivo che sarà perseguito riguarda lo studio, la progettazione e l’implementazione di metodologie innovative, efficaci per trattare immagini in dati multidimensionali al fine di rappresentare, analizzare e descrivere immagini 2D e 3D, utilizzando tecniche e competenze acquisite nei settori di Image Processing, Pattern Recognition,Computer Vision, Discrete Geometry &Topology, Mathematical Morphology. Più in dettaglio, l’attività sarà finalizzata al raggiungimento dei seguenti obiettivi specifici:
1) sviluppo di tecniche e metodologie per la rappresentazione,segmentazione,analisi, descrizione e compressione di immagini digitali 2D e 3D,che possano essere impiegate per immagini binarie, a più livelli di grigio, o a colori, in scala singola e a multi scala;
2) impiego delle tecniche e metodologie proposte in diversi settori applicativi con speciale riferimento ai settori Beni Culturali e Biometria.