Descrizione della commessa "Machine Learning, Modeling and Growing Up (INT.P02.002)"

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  • Descrizione della commessa "Machine Learning, Modeling and Growing Up (INT.P02.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • Le attività svolte potranno rispondere a bisogni individuali e collettivi sia in ambito scientifico che socio-sanitario attraverso: - la realizzazione di sistemi intelligenti che conducano ad una profilassi preventiva più accurata, e riducano il numero di diagnosi errate che affligge attualmente il nostro sistema sanitario la messa a punto di \"system-on-chips\" per analisi biomediche può portare alla tempestiva individuazione di patologie in atto, riducendo così il rischio di decorsi sfavorevoli - la realizzazione di sistemi intelligenti adattivi per la costruzione di ausili intelligenti per anziani o portatori di handicap fisici, l'automazione di processi, ecc.; - nei campi della biologia e dell'archeologia marina -la definizione di ambienti intelligenti per la predizione del comportamento biologico di supporto all'attività diagnostica, la pianificazione e il controllo terapeutico in ambito medico -la progettazione di dispositivi minimamente invasivi ed intelligenti per la compensazione protesica, la diagnosi audiologica e la riabilitazione uditiva. - contributo alla valutazione del rischio legato all'esposizione della popolazione e dei lavoratori ai campi elettromagnetici (literal)
Strumentazione
  • L'implementazione dei dispositivi prodotti dai metodi di machine learning su supporti fisici dedicati richiede un apposito sistema di sviluppo hardware/software per la programmazione di schede elettroniche, specificamente microcontrollori a 8 bit o FPGA. La sperimentazione dei modelli di apprendimento capaci di evolvere (growing up) richiede l'impiego di un opportuno sistema robotico, nonché di un sistema prototipale costituito da più agenti robotici multisensorializzati interconnessi tra di loro e con il sistema di supervisione mediante rete locale wireless. Nel Laboratorio di Bioingegneria per il sistema uditivo e acustica BIOAUDIO si eseguono misure di risposte evocate da sistemi neurosensoriali, registrazione di risposte psicoacustiche, registrazione ed editing professionale di stimoli acustici per prove di psicoacustica, analisi/test apparecchiature/protesi audiologiche. Realizzazione di bioreattori per la stimolazione meccanica e elettromagnetica di composti \"cellule+biomateriale\", per indurre una appropriata risposta cellulare in maniera automatizzata.sviluppo e modellizzazione di architetture 3D per l'ingegneria dei tessuti per la ricrescita tissutale in vivo. (literal)
Tematiche di ricerca
  • Estrazione dinformazione da dati biologici attraverso metodi di machine learning e tecniche per la generazione di regole per agevolare l'attività di ricerca nel settore biomedico. Meccanismi cognitivi insiti nei processi di comunicazione, apprendimento e growing up e loro implementazione in modelli e in robot adattivi. Interazione robot-uomo: caregiving, accettabilità e robotica. Sviluppo, valutazione e trasferimento di tecnologie innovative per wellness e miglioramento di diagnosi, cura e riabilitazione in particolare nell'ambito della disabilità uditiva, nell'anziano, nell'impatto dei campi elettromagnetici sulla salute. Analisi di segnali polisonnografici. Soluzioni intelligenti per estrarre informazioni da dati biologici attraverso tecniche per la determinazione delle variabili salienti e la generazione di regole implementabili su dispositivo elettrico e a costo contenuto. Analisi dei meccanismi -omici (genomici, proteomici) alla base dei processi di duplicazione e differenziamento di cellule staminali e progettazione di sistemi di bioreattore in grado di analizzare, descrivere e modellare i meccanismi di comunicazione e attività cellulare in vitro. (literal)
Competenze
  • - metodi di estrazione dell'informazione da dati sperimentali: tecniche di statistica inferenziale, metodi di machine learning (reti neurali, support vector machine, ecc.), algoritmi per la generazione di regole; tecniche di signal processing. - matematica della Teoria della Probabilità e della Statistica, - tecniche di intelligenza artificiale per la rappresentazione e trattamento della conoscenza - modellistica differenziale e simulazione numerica - trattamento di sistemi dinamici non lineari - metodi per la ricostruzione di funzioni booleane a partire da esempi - Tecniche di simulazione qualitativa e di validazione di modelli - calcolo simbolico - architetture robotiche intelligenti distribuite - progettazione di sistemi 3D (biomateriali e bioreattori) applicati all'ingegneria dei tessuti - analisi dei meccanismi di apprendimento e loro implementazione in architetture per sistemi intelligenti capaci di evolvere - audiologia/otorinolaringoiatria per lo sviluppo di modelli numerici del processing uditivo-cognitivo - progettazione ad alto livello di dispositivi 'smart' - valutazione degli effetti dell' esposizione a campi elettromagnetici su modelli del corpo umano (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le metodologie sviluppate nell'ambito della presente Commessa possono essere impiegate: - nella realizzazione di sistemi intelligenti per coadiuvare il lavoro dei ricercatori in campo biomedico in numerose attività, tra cui diagnosi e prognosi di patologie, studio dei processi di splicing alternativo nella produzione di proteine, analisi funzionale dei geni attraverso DNA microarray, per una maggiore comprensione dei complessi processi biologici - nella comprensione dei meccanismi propri dell'apprendimento umano; - nella costruzione di macchine che si adattino dinamicamente a nuovi ambienti; - nella realizzazione di tecniche intelligenti di supporto alle decisioni; - nella comprensione dei complessi processi cellulari e intercellulari e nella costruzione di metodi efficienti di simulazione per predire il loro comportamento in risposta a stimoli esterni e/o a cambiamenti endogeni; - nelle diverse fasi della progettazione di farmaci di nuova generazione. - nelle apparecchiature per screening uditivo, nelle applicazioni per il fitting e di verifica del \"fine tuning\" protesico I sistemi robotici distribuiti troveranno impiego in tutti gli ambienti industriali produttivi. (literal)
Tecnologie
  • Le problematiche di modellizzazione matematica di fenomeni fisici, biologici e cognitivi richiedono sia lo sviluppo di nuovi metodi matematici e computazionali, sia l'utilizzo degli strumenti matematici classici per lo studio della dinamica di sistemi non lineari, quali equazioni differenziali ordinarie, simulazione numerica, analisi qualitativa, identificazione di sistemi, teoria del controllo. La costruzione di modelli di tali sistemi a partire da dati sperimentali , quando non si hanno informazioni a priori sul fenomeno in esame, richiede tecniche di filtraggio del rumore, di analisi di segnali e delle immagini, di machine learning e di feature selection, con competenze che spaziano dalla statistica classica alla teoria del caos. Modellizzazione numerica del processing del sistema uditivo; modelli numerici del processing cognitivo; processing (signal enhancement) di segnali audio da utilizzare nei test di psicoacustica e nei dispositivi di compensazione protesica; filtraggi numerici di segnali audio; metodi di analisi tempo-frequenza e di analisi spettrale di ordine superiore. Metodi ottimizzazione locale e globale, sia di tipo combinatorio. (literal)
Obiettivi
  • La presente commessa ha lo scopo di costruire modelli dei sistemi biologici per comprenderne il funzionamento. In particolare, si possono individuare i seguenti obiettivi specifici: - mettere a punto metodi intelligenti per l'estrazione dell'informazione da dati biologici che descrivano l'informazione estratta sotto forma di un insieme di regole intelligibili e determinando le variabili salienti con un costo computazionale contenuto e implementbili su un semplice dispositivo elettronico; - sviluppare, implementare e valutare metodi e modelli per il Growing up e sistemi di controllo distribuiti ; - definire e sviluppare un ambiente computazionale per la modellizzazione matematica, l'analisi e la simulazione qualitativa di modelli di reti di regolazione biologica in cui le interazioni fra i diversi componenti sono regolati da valori soglia e sono descritte da funzioni continue non lineari di tipo \"sigmoidale\". - studiare dei meccanismi della degenerazione uditiva nell'anziano progettare dispositivi 'smart' per la protesizzazione uditiva, la diagnosi audiologica e la riabilitazione uditiva - valutare gli effetti dell'esposizione ai campi elettromagnetici della popolazione (literal)
Stato dell'arte
  • La grande complessità del mondo reale crea difficoltà nello sviluppo di artefatti capaci di adattarsi e di far evolvere la propria intelligenza autonomamente. L'introduzione di robot nella vita quotidiana introduce problemi etici e sociali che devono essere analizzati. La degenerazione del sistema uditivo nei soggetti anziani comporta la necessità di conoscere i meccanismi coinvolti e sviluppare nuovi strumenti per la diagnosi precoce e per la riabilitazione uditiva. La diffusione di tecnologie basate sull'emissione di onde elettromagnetiche pone questi sulla loro influenza sulla Salute dell'uomo. I diversi materiali proposti per la medicina rigenerativa nei settori clinici (ortopedico, maxillofacciale, cardio-vascolare ), presentano molteplici limiti da superare che possono essere superati attraverso lo studio dei meccanismi cellulari di decodifica delle condizioni al contorno. I metodi impiegati per estrarre informazione da insiemi di dati biologici adottano approcci propri della statistica e del machine learning che producono modelli del tipo black box. Una alternativa preferibile è offerta dai metodi per la generazione di regole basati sulla sintesi di funzioni booleane. (literal)
Tecniche di indagine
  • Per estrarre informazioni da insiemi di dati vengono impiegati metodi propri della statistica inferenziale , tecniche di machine learning , metodi per la generazione di regole basati sulla sintesi di funzioni booleane, tecniche per l'analisi di segnali e di immagini. Implementazione e sviluppo di sistemi tridimensionali (biomateriali) intelligenti per la rigenerazione tissutale vengono applicati ai dati sperimentali analisi avanzate multilivello (tempo-spazio) e multi-scala (macro-micro-nano-metro). Per le indagini cognitive e sociologiche vengono usate tecniche standard in ambito psicologico quali colloqui ( strutturati, semistrutturati e liberi), esperimenti, giochi e osservazioni su bambini e/o su animali In ambito uditivo vengono utilizzate misure oggettive della funzionalità cocleare, test di psico-acustica, test di riconoscimento del parlato, test di valutazione della funzionalità cognitiva e misurazioni di segnali audiologici di rilevanza clinica. Applicazione di tecniche di elettromagnetismo computazionale. (literal)
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