organo sensoriale artificiale

organo sensoriale artificiale

òrgano sensoriale artificiale locuz. sost. m. – Organo che riproduce le funzionalità tipiche di un organo sensoriale biologico. Gli organi artificiali che riproducono l’olfatto e il tatto sono realizzati utilizzando circuiti analogici interfacciati a sensori chimici o di pressione; sono tuttora oggetto di studio e non esistono ancora dispositivi artificiali in grado di ottenere le stesse prestazioni dei rispettivi organi biologici. Al contrario, organi artificiali che emulano gli organi sensoriali per la vista e per l’udito sono in una fase avanzata di sviluppo e sono basati su circuiti integrati analogici e digitali, realizzati usando la tecnologia microelettronica CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor) a scala di integrazione molto elevata. Questi tipi di dispositivi microelettronici, che elaborano i segnali sensoriali usando gli stessi principi computazionali presenti nel sistema nervoso, sono denominati sensori neuromorfi e si basano su circuiti integrati analogici e sistemi microelettronici che sfruttano la fisica del silicio per riprodurre la biofisica del sistema nervoso. In questo modo tali sistemi, al contrario dei tradizionali sistemi digitali, riescono a raggiungere ordini di grandezza più compatti, robusti ed efficienti, sviluppando, proprio come i sistemi biologici, la capacità di estrarre informazioni dalla stimolazione sensoriale e di produrre in risposta un adeguato comportamento in tempo reale, in un amplissimo spettro di condizioni esterne e, soprattutto, con un bassissimo consumo di risorse. La caratteristica principale che differenzia gli organi sensoriali artificiali neuromorfi dai sistemi artificiali tradizionali è la capacità di estrarre informazioni dagli stimoli, piuttosto che quella di riprodurre fedelmente gli stimoli stessi. Il primo passo per produrre sistemi sensoriali artificiali che si ispirino al funzionamento dei corrispettivi biologici è quindi la realizzazione di dispositivi in grado di tradurre gli stimoli sensoriali in modo appropriato. I sistemi biologici codificano l’informazione in termini di variazioni dei segnali nel tempo e nello spazio. Invece di rispondere a livelli costanti e assoluti, le cellule rispondono ai cambiamenti, risultando enormemente più efficienti, poiché rimuovono dati ridondanti ed elaborano l’informazione solo laddove (e nel momento in cui) è presente un cambiamento. La risposta di un sistema sensoriale è dunque determinata dal succedersi di eventi che provocano la variazione dello stato delle cellule, che si contrappone alla strategia adoperata nei sistemi tradizionali di acquisizione dei segnali sensoriali. Gli organi sensoriali artificiali descritti di seguito sviluppano queste e altre proprietà caratteristiche dei sistemi biologici attraverso circuiti elettronici neuromorfi.

Retina artificiale. – È costituita da sensori visivi neuromorfi che realizzano la trasduzione del segnale visivo secondo principi simili a quelli della retina umana. Alcuni di tali sensori replicano soltanto il comportamento dei fotorecettori, il primo strato di cellule fotosensibili di cui è composta la retina; altri tipi di retine artificiali, o sistemi di sensori, riproducono anche alcune delle funzionalità delle cellule presenti negli altri strati della retina. Il sensore visivo dinamico (DVS, Dynamic vision sensor), sviluppato presso l’Istituto di neuroinformatica dell’Università di Zurigo e il Politecnico di Zurigo, rappresenta l’ultima generazione nel disegno di circuiti per la visione artificiale che modella il comportamento dei fotorecettori. Ogni pixel del DVS reagisce a una variazione nel tempo del contrasto luminoso, misurato dal fotorecettore corrispondente, con un impulso digitale, che viene inviato in uscita istantaneamente. Il sensore risponde quindi alle variazioni dello stimolo con altissima risoluzione temporale. Questo tipo di codifica dello stimolo visivo rende il sensore sensibile a un’ampia gamma di stimoli per un intervallo di illuminazione molto ampio. Un gruppo di ricercatori dell’Università di Stanford ha sviluppato (2005) una retina artificiale che emula le risposte alle variazioni spaziali e temporali delle cellule gangliari della retina umana; situate nell’ultimo strato della retina, queste cellule hanno la funzione di integrare l’informazione ricevuta da un gruppo di fotorecettori, interpretando una piccola porzione di campo visivo, ed emettono impulsi nervosi quando la regione centrale del campo recettivo differisce da quella periferica di una quantità relativa nel tempo e nello spazio. Un’équipe di scienziati del Dipartimento di neuroscienze e neurotecnologie del Centro di nanoscienze e tecnologie dell’Istituto italiano di tecnologia e del Dipartimento di fisica del Politecnico di Milano ha messo a punto (2011) il prototipo della prima retina artificiale organica; basata su un materiale organico semiconduttore misto a interfacce artificiali, è costituita da un reticolo in grado di captare i segnali luminosi, convertirli in impulsi elettrici e comunicarli ai neuroni.

Coclea artificiale. – Riproduzione artificiale dell’organo che nei mammiferi elabora i segnali acustici. La progettazione di tale dispositivo studia e modella alcune delle caratteristiche della trasduzione del segnale acustico operata dalla coclea biologica, la quale è in grado di produrre risposte che differenziano gli stimoli acustici in base alla loro frequenza, recependo segnali in un ampio spettro di potenza (oltre 120 dB) e frequenze che vanno da 100 Hz fino a circa 10 kHz. La coclea è inoltre in grado di adattarsi al livello di intensità sonora, amplificando segnali a bassa intensità e comprimendo quelli ad alta intensità. Sono stati fatti vari tentativi di realizzare coclee artificiali, ottenendo risultati incoraggianti sia dal punto di vista della funzionalità, sia da quello dell’affidabilità, della compattezza e del consumo di potenza, fattori critici per la realizzazione di protesi impiantabili. Lo studio di protesi cocleari neuromorfe comprende anche la progettazione di sistemi che riproducano l’abilità di localizzare i suoni, grazie all’integrazione dei segnali provenienti da una coppia di organi artificiali. Questa capacità è fondamentale, per es., per poter seguire un discorso tra più conversazioni contemporanee ed è assente nelle comuni protesi acustiche in commercio.

Naso artificiale. – Sensore olfattivo in grado di rilevare e riconoscere diversi odori. Nel mondo animale l’olfatto è fondamentale per la sopravvivenza, in quanto fornisce indicazioni sulla disponibilità delle risorse alimentari, sull’individuazione del partner per la riproduzione e sul riconoscimento di conspecifici. Tuttavia nasi artificiali di vario tipo vengono prevalentemente impiegati nell’industria per altri scopi, in partic. come sensori per determinati composti chimici. Si tratta in generale di sistemi con matrici di agenti chimici reattivi a sostanze specifiche, che convertono il segnale chimico in elettrico. Tali matrici sono collegate a software di riconoscimento, in grado di classificare gli odori sulla base dell’uscita del sensore. I sistemi finora sviluppati sono quindi poco compatti ed efficienti, dimostrandosi lontani dalle capacità olfattive del mondo animale. La ricerca sui nasi artificiali neuromorfi si avvale di matrici di elementi sensibili alle molecole odorose associate a metodi di classificazione basati su treni di impulsi, la cui frequenza è in relazione al tipo di odore ed è indipendente dalla concentrazione della molecola odorante. La progettazione di nasi artificiali comprende anche lo studio della mucosa e della cavità nasale, per migliorare la discriminazione degli odori. Sensori di nuova concezione uniscono più matrici di sensori con diverse dinamiche e ritardi temporali che, associati all’informazione spaziale data dalla localizzazione del particolare sensore attivato, aumentano la capacità di distinguere e classificare odori complessi.

Organi tattili artificiali. – Organi artificiali essenziali per conferire il senso del tatto, nonché della pressione esercitata durante la manipolazione di oggetti, in soggetti che usano protesi artificiali. Si basano sulla tecnologia usata per i touch screen dei dispositivi digitali palmari e dei cellulari. La ricerca si concentra su materiali flessibili che meglio possano ricoprire e ospitare i sensori e la relativa elettronica, e allo stesso tempo possano ricoprire superfici curve come polpastrelli e arti artificiali.