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Dalla ricerca accademica sulla comunicazione quantistica all’impresa: lo spin-off ThinkQuantum S.r.l.

La protezione dei nostri dati digitali si affida quasi esclusivamente alla complessità matematica, ma con l’avvento dei futuri computer quantistici, molti degli attuali sistemi di cifratura potrebbero diventare vulnerabili. È qui che entra in gioco la comunicazione quantistica, che rivoluziona il concetto di sicurezza offrendo una crittografia teoricamente inviolabile perché si basa su principi fisici della meccanica quantistica. Questi principi permettono, infatti, di rilevare qualsiasi tentativo di intercettazione: se qualcuno prova a “spiare” la comunicazione, lascia tracce inevitabili. La crittografia quantistica supera, quindi, i limiti dei sistemi attuali: se qualcuno cerca di leggere l’informazione trasmessa su un fotone, che è una particella quantistica elementare, ne altera inevitabilmente lo stato, permettendo di accorgersi del tentativo di intrusione. Tuttavia, non si invia il messaggio vero e proprio tramite i fotoni, ma si usa la meccanica quantistica per creare una chiave segreta (Quantum Key Distribution  – QKD) e garantire la totale sicurezza della trasmissione, proteggendo le informazioni anche da futuri attacchi di calcolo quantistico. La QKD permette, infatti, di generare chiavi crittografiche casuali, condivise solamente dal trasmettitore e dal ricevitore.  È proprio questo il campo di attività di ThinkQuantum, spin-off del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI) dell’Università di Padova. Il suo percorso parte nei primi anni 2000, con le ricerche pionieristiche del professor Paolo Villoresi, (Ordinario di Fisica Sperimentale presso il DEI) sulla comunicazione quantistica satellitare. La svolta arriva nel 2019 con un brevetto innovativo: un dispositivo capace di codificare informazioni sulla polarizzazione della luce con velocità altissima e rumore minimo. Un’innovazione tale da aggiudicarsi l’Intellectual Property Award 2021. Nello stesso anno, grazie alla licenza d’uso esclusivo del brevetto concessa dall’Ateneo, nasce ufficialmente ThinkQuantum per portare questa tecnologia sul mercato. L’obiettivo principale dello spin-off è lo sviluppo di soluzioni per la crittografia basate su tecnologie ottiche e quantistiche, in particolare per realizzare sistemi per la distribuzione di chiavi crittografiche e quantistiche (QKD) e dispositivi per generare di numeri casuali (Quantum Random Number Generation – QRNG). Passare da un complesso apparato sperimentale in un laboratorio a un prodotto industriale vendibile è stata la vera sfida ingegneristica. ThinkQuantum ha vinto questa scommessa producendo sistemi di trasmissione e ricezione che sono, a tutti gli effetti, dispositivi “plug and play”. Si presentano come apparati “rack-mount” standard per garantire una rapida integrazione nelle attuali infrastrutture di comunicazione e pronti per essere collegati alle comuni reti in fibra ottica. Questa capacità di rendere la tecnologia quantistica accessibile e scalabile ha permesso all’azienda di conquistare clienti istituzionali e privati in tutta Europa, dando lavoro a una trentina di professionisti altamente qualificati. Il legame con l’Università rimane il motore pulsante dell’innovazione. Il gruppo di ricerca “Quantum” al DEI è cresciuto insieme all’azienda, contando oggi tre docenti strutturati e oltre 15 ricercatori. Il professor Giuseppe Vallone, co-fondatore dello spin-off, descrive questo legame come un circolo virtuoso: «La sinergia tra università e spin-off rappresenta un asset strategico nei bandi nazionali ed europei. Presentarsi come partner integrati permette di dimostrare la completezza della catena del valore, garantendo il passaggio dalla validazione in laboratorio alla commercializzazione del prodotto. Tale approccio costituisce un valore aggiunto determinante in fase di valutazione». ThinkQuantum non è solo un partner di ricerca, ma un’azienda che investe sul futuro finanziando borse di dottorato (due già attive e altre due in arrivo) e offre tirocini aziendali che permettono agli studenti di conoscere una realtà industriale d’eccellenza, senza allontanarsi dall’ecosistema universitario. Un altro importante obiettivo di ThinkQuantum è, infatti, quello di dare opportunità ai ragazzi che ovviamente non possono rimanere tutti in ambito universitario e possono poi fare un lavoro legato alle competenze che hanno acquisito con la ricerca accademica.  Trasformare la propria ricerca in uno spin-off, non è semplice e alla domanda diretta su questo punto, Vallone dà un consiglio pragmatico: «Serve qualcuno che si occupi del progetto al 100%, giorno per giorno. La gestione aziendale richiede competenze specifiche. Fondamentale è stato poter contare un CEO, Simone Capeleto, con competenze tecniche e manageriali e una pluriennale esperienza aziendale, ma anche sul supporto tecnico, logistico e amministrativo di Officina Stellare». Proprio con il supporto del socio di maggioranza Officina Stellare, ThinkQuantum guarda al futuro con l’obiettivo di espandersi non solo nel “quantum“, ma in tutto il settore della fotonica e dell’ottica avanzata.  Un ulteriore sviluppo in questa direzione è rappresentato dal trasferimento recente del team di Ricerca & Sviluppo di ThinkQuantum dalla sede di Via Trieste a un nuovo edificio di proprietà in via Ariosto, sempre a Padova. Il cambiamento riflette una fase di crescita dell’azienda in un settore altamente specializzato e suggerisce come attività di ricerca, se adeguatamente valorizzate, possano contribuire alla generazione di ricadute economiche e sociali sul territorio. Approfondimenti  Il sito web di ThinkQuantum Chiavi crittografiche per la Terra e lo spazio – Il caso ThinkQuantum, Il Sole 24 Ore, 12 maggio 2025 Villoresi: «Nel Nobel a Zeilinger c’è anche un pezzo di ricerca fatta a Padova», Il Corriere del Veneto, 6 ottobre 2022

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Vantaggi e insidie nell’uso dell’IA nella ricerca scientifica 

Oggi si parla sempre più spesso di “AI Graduate Student”: sistemi di intelligenza artificiale con competenze paragonabili a quelle di un ricercatore o di uno studente di dottorato, non solo per scrivere testi o codice, ma per sviluppare idee e svolgere ricerca teorica.  Su questo tema si è cimentato il professor Morten Gram Pedersen, che ha sperimentato diversi sistemi di IA per verificarne le capacità nell’intera attività, dalla formulazione del problema di ricerca, allo sviluppo della teoria, fino alla stesura di un articolo scientifico. L’obiettivo era riprendere un progetto di ricerca abbozzato anni prima, incentrato sull’inibizione reciproca tra neuroni e sull’applicazione di modelli matematici complessi. L’esperienza iniziale ha ricordato quella di un tesista alle prime armi: l’IA non era in grado di formulare il problema in modo sensato e, una volta formulato il modello da studiare, proponeva soluzioni e analisi apparentemente complete, che a un esame più attento  rivelavano passaggi affrettati o errori grossolani. Il professore ha testato diversi sistemi, Gemini Pro, l’IA cinese Kimi   («particolarmente efficace nei calcoli») e Claude Pro, facendoli “dialogare” tra loro: passava a un sistema il lavoro di ricerca prodotto dall’altro, affinando progressivamente i risultati. L’osservazione principale è che le Intelligenze Artificiali faticano a impostare correttamente un problema complesso. Si comportano come uno studente appena uscito dai corsi, convinto che tutto sia semplice. Tuttavia, quando ricevono istruzioni precise, sanno sorprendere nella fase di esplorazione scientifica: propongono equazioni appropriate e riscrivono i sistemi nella forma richiesta. Il paradosso è che poi sbagliano calcoli banali, costringendo a verifiche continue, – «Sei sicuro? Mi sembra manchi un segno meno…» –  e talvolta a ricominciare da capo. In queste fasi di supervisione dell’IA, l’esperienza e l’intuizione erano cruciali, proprio come lo sono nella supervisione di un dottorando. Un altro limite è la tendenza all’autoconferma: quando l’IA imbocca una strada sbagliata nell’analisi, fatica a correggersi, rendendo utile il passaggio a un sistema diverso. Il professor Pedersen ha salvato oltre quaranta versioni del lavoro, tornando spesso a bozze precedenti. In particolare, Gemini tendeva a inventare citazioni inesistenti, mentre Claude risultava più preciso, pur con qualche svista. Nonostante questi limiti, il vantaggio in termini di tempo sulla ricerca è notevole. Un compito che richiederebbe settimane a un tesista o a un dottorando al primo anno, come studiare un metodo scientifico e capire come applicarlo, con l’IA si risolve in pochi minuti. L’intero articolo, poi pubblicato come preprint e attualmente in revisione a una rivista scientifica, è stato completato in circa due settimane di lavoro effettivo. La conclusione del professor Pedersen è chiara: l’IA oggi è un potente motore di ricerca, scava nei dati, connette paper scientifici tra loro e accelera le fasi di scoperta, come un bravo studente magistrale, forse un dottorando al primo anno. Con un problema ben definito, permette di lavorare molto velocemente. Tuttavia, questa efficienza nasconde un’insidia sistemica molto pericolosa. Il rischio è che “il sistema”, in particolare i decisori politici attratti da un immediato risparmio economico nella convinzione che l’algoritmo possa sostituire il capitale umano, non investi più nei dottorandi. Niente di più falso. «Servono studenti e dottorandi che imparino i metodi e le teorie “sporcandosi le mani” sul campo, con i calcoli, i ragionamenti e il lavoro quotidiano in laboratorio», afferma il professor Pedersen. «Se questa formazione viene a mancare, stiamo ipotecando il nostro futuro: quando i professori meno giovani andranno in pensione, chi guiderà la ricerca? Senza una solida conoscenza teorica ed empirica di base, mancheranno le persone capaci di controllare criticamente il lavoro dell’IA» conclude il professor Pedersen.   Il grande rischio, dunque, non è l’IA in sé, ma la cieca illusione che basti porre una domanda per ottenere la risposta giusta. Approfondimenti La Commissione e la comunità della ricerca elaborano orientamenti sull’uso responsabile dell’intelligenza artificiale generativa nella ricerca, Comunicato Stampa, 20 Marzo 2024 (con link a diversi approfondimenti). Why I may ‘hire’ AI instead of a graduate student, March 12, 2026 Vibe physics: The AI grad student, March 23, 2026 Il preprint dell’articolo del professor Pedersen 

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Quando la ricerca tra algoritmi e arte diventa impresa: lo spin-off Audio Innova

Dalle avanguardie della Computer Music ai sistemi per l’inclusione sociale, lo spin-off del DEI Audio Innova rappresenta un’eccellenza nel trasferimento tecnologico. Abbiamo incontrato il professor Sergio Canazza, Ordinario al DEI e socio fondatore dello spin-off, per capire come la ricerca accademica possa trasformarsi in un impatto sulla società. Prof. Canazza, Audio Innova nasce nel 2013. Come si passa da un laboratorio universitario al mercato? C’è stato un momento particolare di svolta? «Audio Innova capitalizza le ricerche iniziate negli anni Cinquanta dal prof. Giovanni Battista Debiasi e la nascita della ricerca multidisciplinare tra ingegneria e musica a Padova. La vera svolta è arrivata però tra il 2010 e il 2012. Vincere il primo premio dello Start-Cup Veneto nel 2010 e classificarci terzi nel 2012 ci ha dato la consapevolezza che gli algoritmi di restauro audio ottenuti dal nostro Centro di Sonologia Computazionale (CSC) non erano solo esperimenti riusciti, ma soluzioni a bisogni reali del mercato. Nel 2013 abbiamo capito che per dare un impatto sociale ed economico a quella ricerca e rispondere velocemente al mercato serviva un veicolo agile. Dovevamo essere snelli a livello amministrativo, ma anche poter seguire progetti con risvolti applicativi e non strettamente relativi alla ricerca di base, che ci venivano commissionati da istituzioni culturali per la conservazione di archivi sonori o per la creazione di nuove opere. Così è nata Audio Innova. Il CSC in pratica ci ha fatto da incubatore». In un settore competitivo come quello delle tecnologie audio, in che modo Audio Innova si distingue da ciò che esiste già? «La nostra unicità risiede nella multidisciplinarietà e nell’integrazione dell’Intelligenza Artificiale con il rigore filologico. La nostra tecnologia, premiata per due anni consecutivi al Festival di Cannes per l’Intelligenza Artificiale con il Neurons Awards Creativity AI Trophy, utilizza l’IA per correggere automaticamente gli errori di digitalizzazione. Inoltre, a differenza di altri, operiamo su quattro fronti integrati: la conservazione dei beni culturali (dove copriamo il 90% del mercato italiano), la didattica aumentata con sistemi come BoardOnAir, l’inclusione per la disabilità e la produzione artistica nei campi della musica e della media-art». Quanto è importante mantenere un legame stretto con il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI)? In che modo questa collaborazione continua ad alimentare l’innovazione? «È fondamentale. Credo con orgoglio che Audio Innova sia l’emblema del trasferimento tecnologico del DEI. Il legame è simbiotico: il dipartimento fornisce la ricerca di base e l’accesso a network internazionali prestigiosi, mentre Audio Innova trasforma quella ricerca in soluzioni scalabili.Lo spin-off è cresciuto negli anni: ci sono 6 persone a tempo indeterminato, abbiamo acquistato un grande spazio in zona industriale e abbiamo in corso contratti di una certa importanza. Io seguo quello che è più vicino al DEI per il 95% del mio tempo, ma, come altri del team, rimango un accademico, anche se abbiamo imparato molto strada facendo. Per questo abbiamo coinvolto sin da subito un libero professionista con lunga esperienza nell’ICT che, come socio, fa le scelte da imprenditore.Tra il 2020 e il 2024 abbiamo accolto oltre 50 tesisti e 19 stagisti, formando nuove generazioni di professionisti. Molti dei nostri collaboratori, dopo l’esperienza da noi, sono stati assunti da giganti come l’Agenzia Spaziale Europea, Toyota o il settore tecnico della RAI di Roma e inseriti in ruoli apicali. Questa circolazione di talenti e idee tra università e impresa è indispensabile per la nostra attività.» Quali sono state le sfide principali nel passare dal ruolo di ricercatore a quello di imprenditore? Che consiglio si potrebbe dare a uno studente del DEI che sogna una startup? Il passaggio da ricercatore a imprenditore richiede prima di tutto una motivazione profonda e una consapevolezza nuova: non si risponde più solo al metodo scientifico, ma si assume una responsabilità diretta verso i propri collaboratori. È una scelta che va ponderata con cura. A uno studente del DEI consiglierei di non affidarsi solo all’intuito: l’imprenditorialità è una disciplina che va studiata. Il mio suggerimento è di frequentare, dopo la laurea, corsi specifici dell’Università di Padova che insegnano a trasformare un’idea tecnologica in un progetto di business solido». Quali sono i prossimi obiettivi? Come sarà Audio Innova tra cinque anni? «L’8 maggio saremo all’inaugurazione della 61ª Biennale d’Arte di Venezia: il CSC sarà l’unico partecipante italiano tra i 111 selezionati, protagonista di un’installazione di media-art “site-specific” pazzesca al Padiglione Argentina dell’Arsenale. Il 4 maggio siamo stati a Milano Musica con due opere di Adriano Guarnieri.Guardando ai prossimi 5-10 anni, la sfida è chiara. Con Audio Innova abbiamo dimostrato che la cultura è un’industria ad alto rendimento, capace di produrre valore. Nonostante l’avvento dell’intelligenza artificiale e un mercato della creazione in mutamento, con giovani artisti dai linguaggi più “essenziali”, dobbiamo restare reattivi.Il nostro obiettivo è continuare a fare innovazione sfruttando i nuovi archivi, sempre più “multitipologici”, forti di una riconoscibilità mondiale già sancita dai successi di Cannes». C’è un episodio curioso o un traguardo raggiunto di cui andare particolarmente fieri nel vostro percorso? «Contrariamente a quanto si possa pensare, il mondo degli archivi analogici è in continua espansione. Emergono costantemente nuovi fondi, spesso ritrovati per caso in armadi dimenticati da chi nemmeno sospettava di possedere un tesoro documentario. Fino agli anni 2000, tuttavia, la concezione di “archivio” era limitata quasi esclusivamente alla carta; i supporti sonori non venivano considerati tali. Oggi, grazie a una nuova sensibilità, stiamo riscoprendo nastri magnetici che custodiscono opere uniche: esecuzioni di Arturo Benedetti Michelangeli, composizioni di Luigi Nono, dialoghi tra Rota e Federico Fellini, o frammenti di vita quotidiana tra Bruno Maderna, Luciano Berio e Marino Zuccheri. Si tratta di materiale che sulla carta non lascerebbe traccia, ma che ora l’archivista tutela con rigore. Anche il musicologo ha evoluto il suo approccio: se un tempo si limitava allo studio della partitura, oggi analizza l’interpretazione e l’esecuzione proprio grazie a questi archivi sonori. Il recupero di questi materiali richiede un eccezionale intreccio di saperi, dove il lavoro degli ingegneri diventa fondamentale. Anni fa sono stati rinvenuti dei supporti rarissimi appartenuti a Egidio Meneghetti (medico, farmacologo di fama mondiale, politico e rettore dell’Università di…

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Typhoon HIL Best Paper Award Europe 2025 al laboratorio di Elettronica di Potenza (PEL)

Il laboratorio di Elettronica di Potenza (PEL) del DEI si è recentemente aggiudicato il Typhoon HIL Best Paper Award Europe 2025 con il lavoro “All-Port Unterminated Admittance Passivity for Robust Stability of AC-DC Interlinking Converters” di Ruzica Cvetanovic, Ivan Petric, Paolo Mattavelli e Simone Buso. L’azienda ha premiato il laboratorio con una unità del simulatore in tempo reale HIL 604, che ci è stato consegnato nei giorni scorsi.  Il dispositivo sarà utilizzato in molte delle ricerche in corso, per accelerare lo sviluppo di sistemi di controllo digitale su microprocessore per convertitori di potenza.  Attualmente, la quasi totalità delle applicazioni dei sistemi di conversione dell’energia elettrica richiede sistemi di controllo e supervisione digitale. L’uso di simulatori in tempo reale è diventato uno strumento efficace per accelerarne lo sviluppo, in quanto permette di abbinare alla piattaforma di controllo un modello numerico del converitore, senza necessariamente ricorrere ad un prototipo fisico. In questo modo, lo sviluppo del codice può iniziare già dalle prime fasi di un progetto e molte delle criticità possono essere identificate e risolte prima di interfacciarlo con il convertitore vero e proprio. Nel nostro laboratorio, questa metodologia è già in uso e viene applicata ad una varietà di studi, da quelli relativi alle micro-reti di distribuzione dell’energia elettrica, fino ai singoli convertitori con controllo digitale destinati a diverse applicazioni, tra le quali i regolatori di carica per batterie, gli alimentatori per sistemi di calcolo ad alte prestazioni e gli alimentatori da rete con regolazione del fattore di potenza (PFC).  Il dispositivo HIL 604 è da oggi a disposizione di tutti i ricercatori del nostro laboratorio. Ringraziamo Typhoon HIL per la generosità dimostrata nei nostri confronti.

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I chip che fanno volare la guerra: cosa c’è nei droni contemporanei

A cura di Alessandro Paccagnella I vari conflitti che tragicamente stanno insanguinando varie regioni del mondo vedono riaffacciarsi prepotentemente sui diversi fronti bellici la dottrina del generale italiano Giulio Douhet sulla guerra aerea e sul dominio dell’aria, apparsa in un testo omonimo che godette di grande attenzione nel periodo fra le due guerre mondiali. All’epoca, più di un secolo fa, Douhet esplorava le capacità belliche dell’aeroplano, recentissima invenzione dell’inizio del XX secolo, indicandolo come strumento essenziale per la conduzione delle operazioni belliche, se non come carta vincente tout court nelle guerre moderne. Al giorno d’oggi quella visione è stata attualizzata con l’utilizzo di strumenti assai più micidiali dei biplani in tela del 1920, ossia droni e missili delle cui azioni belliche leggiamo a cadenza giornaliera. La possibilità di portare l’offensiva in territorio nemico, distante magari migliaia di km dal paese attaccante, si basa al giorno d’oggi sull’utilizzo di velivoli relativamente semplici e, nel caso di droni kamikaze, poco costosi e realizzabili in serie utilizzando componenti facilmente reperibili sul mercato internazionale anche da parte di paesi, come Russia e Iran, per i quali sono in vigore da anni misure restrittive alle importazioni da paesi occidentali. D’altra parte i sistemi di guida dei droni, dovendo assolvere a funzioni di pilotaggio e puntamento del bersaglio in modo autonomo, devono necessariamente fare uso di componentistica elettronica e di circuiti integrati (microcontrollori, memorie, dispositivi logici programmabili, sensori, convertitori, ecc) che quei paesi, come molti altri, non sono in grado di produrre. La filiera di produzione dei chip a semiconduttore è infatti assente nella repubblica islamica e langue in uno stato di endemica arretratezza tecnologica nel paese del Presidente Putin, malgrado i suoi ripetuti sforzi per innovarla e ridurre le distanze dalle tecnologie microelettroniche occidentali, peraltro crescenti nel tempo. Malgrado le sanzioni occidentali imposte sin all’inizio dell’invasione russa dell’Ucraina nel 2022, componenti elettronici di origine occidentale e cinese erano stati regolarmente identificati in droni russi Geran, derivanti dai modelli iraniani Shahed. Si trattava di componenti di uso comune in ambito civile e facilmente adattabili all’uso bellico, il cosiddetto uso duale (dual use), per i quali non vigono particolari restrizioni all’export e non sono imposti certificati di uso finale (end-user). Tramite triangolazioni con agenzie e imprese presenti in paesi terzi, spesso asiatici – incluso qualcuno colpito recentemente dagli Shahed – frazionando le spedizioni in piccoli lotti verso diverse aziende, è stato possibile quindi portare svariati componenti elettronici anche in paesi ora belligeranti sottoposti a sanzioni, quali Iran e Russia. Si tratta di numeri non enormi, ma adeguati a sostenere una produzione di massa di armamenti, che nel caso specifico di droni militari arriva a migliaia di velivoli al mese. Suonano quindi attuali, ma di difficile implementazione pratica, gli appelli rivolti da istituzioni ucraine che vedono nella chiusura dei canali di approvigionamento dei chip uno strumento importante per ridurre il potenziale offensivo russo. Storia analoga si ripete per i droni iraniani, che – tragica ironia della sorte – sono stati utilizzati contro forze statunitensi: come affermava già nel 2023 Damien Spleeters, deputy director of operations del gruppo indipendente di ricerca Conflict Armament Research (CAR) in una sua dichiarazione alla statunitense CNBC: “Per quanto riguarda i sistemi russi, credo che poco più del 50% dei componenti porti il ​​marchio di aziende statunitensi. Per i sistemi iraniani, la percentuale supera l’80%”. La realtà dell’uso duale dei chip è un dato di fatto bene inserito nella catena globale di approvigionamento dei semiconduttori, dove il ritorno economico si impone al di sopra di bandiere o schieramenti, amici o nemici.

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Schizofrenia: un lavoro di squadra tra ingegneria e medicina apre nuove strade alla cura

Quando pensiamo alla schizofrenia, immaginiamo allucinazioni o deliri, questi sintomi vengono definiti “positivi“, che si aggiungono cioè alla normale esperienza mentale. Esistono però anche dei sintomi che lavorano in maniera opposta e che si manifestano con la perdita o la riduzione di capacità che normalmente esistono e che appunto per questo vengono definiti “negativi“. Un’altra faccia della medaglia, dunque, molto più silenziosa e difficile da trattare: parliamo di apatia, isolamento sociale e perdita di piacere. I farmaci attuali funzionano bene sui sintomi positivi come deliri e allucinazioni, ma non altrettanto su quelli negativi come isolamento e mancanza di motivazione. Una recente ricerca internazionale pubblicata su JAMA Psychiatry ha aggiunto un tassello fondamentale grazie all’attività di Mattia Veronese e Lucia Maccioni, rispettivamente professore e postdoc del Dipartimento di Ingegneria dell’informazione dell’Università di Padova, che hanno collaborato con i ricercatori dell’Istituto di psichiatria del King’s College di Londra. Il team di ricerca ha sottoposto 54 persone (26 con schizofrenia e 28 sane) a due scansioni PET, una tecnica che permette di vedere cosa succede nel cervello grazie a una sostanza tracciante che si lega ai recettori della serotonina. Tra una scansione e l’altra ai partecipanti è stata somministrata una dose di d-amfetamina, che provoca indirettamente il rilascio di serotonina nel cervello, per osservare come cambia l’attività di questi recettori. Finora sapevamo molto sul ruolo della dopamina nella schizofrenia, ma il ruolo della serotonina restava in parte sconosciuto. Con questo studio, i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che nei pazienti con schizofrenia, la corteccia frontale (l’area che gestisce motivazione e pianificazione) rilascia molta più serotonina rispetto ai soggetti sani: più alto è questo rilascio, più i sintomi negativi sono gravi e invalidanti. Dunque, la causa dei sintomi “negativi” potrebbe dipendere da un eccesso di serotonina nella corteccia frontale del cervello. Ma come si misura una sostanza invisibile dentro il cervello? In questo studio, Mattia Veronese e Lucia Maccioni hanno dato il proprio contributo utilizzando dei modelli matematici e algoritmi ingegneristici per interpretare le immagini PET. Le immagini PET sono dati grezzi che vengono trasformate in mappe comprensibili grazie ad analisi numeriche sofisticate. In pratica, il team ha usato un tracciante speciale (CIMBI-36) per vedere quanta serotonina veniva rilasciata dopo uno stimolo. Il risultato è chiaro: la disregolazione di questo neurotrasmettitore è un nuovo bersaglio su cui agire per ridurre i sintomi. Con il lavoro di squadra di team multidisciplinari (ingegneri, matematici, clinici, radiochimici e farmacologi) si è giunti a questa scoperta che offre una nuova prospettiva per la cura della schizofrenia: se si riuscirà a creare farmaci capaci di regolare con precisione la serotonina nella corteccia frontale, sarà  finalmente possibile aiutare i pazienti a riprendersi i propri hobby, il lavoro e la vita familiare. Il passaggio dalla ricerca alla pratica clinica richiederà ancora del tempo, ma la direzione è promettente. Anche per questo, l’Università di  Padova continua a investire in tecnologie avanzate per sostenere una medicina sperimentale di alta qualità.

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Misurare il tuo cammino ti migliora la vita

Lo sapevi che la foto di come cammini è un’immagine che parla di te, delle tue patologie, del tuo stile di vita, di quanto stai mantenendo bene il tuo corpo? Tutto questo viene studiato da una branca della bioingegneria che si chiama “analisi del movimento”. Al DEI, all’interno del gruppo di bioingegneria, si colloca il BioMovLab dove si sviluppano, tra l’altro, modelli muscoloscheletrici dell’andatura dei soggetti con patologie, strumenti biomeccanici per fornire una migliore comprensione dell’impatto dei programmi di allenamento/interventi clinici su soggetti patologici. Inoltre, si valutano le prestazioni in diversi sport, tra cui rugby, nuoto, basket, skateboard, pallavolo, utilizzando anche tecnologie markerless per l’analisi del movimento. Ce ne parlano Zimi Sawacha, professoressa associata di Ingegneria Biomedica al DEI ed Elena Pegolo, ex ricercatrice al DEI, ora ricercatrice post doc presso l’Università della California. Ascoltale qui sotto!

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Microelettronica e globalizzazione: Qualche ombra sulla microelettronica europea

a cura di Alessandro Paccagnella Nel numero precedente di UpToDEI avevo messo in evidenza la crescita esuberante del mercato dei semiconduttori, soprattutto negli USA, trainato dallo sviluppo fenomenale dei data center per A.I. In questo contributo ci soffermerò su questa sponda dell’Atlantico e sulla attuale situazione. Se nell’anno 2000 ancora un quarto della produzione mondiale di chip a semiconduttore era localizzata in Europa, nel 2020 siamo scesi al 8%, perdendo un’ampia quota del manifatturiero soprattutto verso le Repubblica popolare cinese. Questa drammatica riduzione va associata a diverse concause, ma penso che la principale sia stata la perdita di memoria storica e di consapevolezza da parte dei governi europei, sia a livello comunitario che nazionale. La limitata produzione di chip in Europa non è una novità di questa decade. Già negli anni ’60 e ’70 dello scorso secolo i paesi europei avevano accumulato un gap tecnologico con l’allora leader indiscusso in tecnologie e produzione, ossia gli USA, e si parlava di “egemonia americana” per descrivere la situazione che si era consolidata durante le prime due decadi della guerra fredda. Politici europei illuminati, e mi piace segnalare come gli italiani fossero in prima fila in questo movimento di pensiero – Altiero Spinelli e Amintore Fanfani per citarne un paio, a metà degli anni ’60 avevano cominciato a evidenziare i limiti di uno sviluppo industriale europeo che ci vedeva succubi verso le tecnologie più avanzate made in USA. La situazione era ulteriormente peggiorata a inizi anni ’70 con lo sviluppo dei circuiti integrati, prima bipolari e poi sempre più basati sui MOSFET, che videro nella commercializzazione del primo microprocessore (l’Intel 4004 a novembre 1971) e della prima DRAM (memoria dinamica ad accesso casuale, Intel 1103 a ottobre 1970) innovazioni tecnologiche strepitose e successi economici planetari, ma di aziende statunitensi. Le nazioni europee cercano di reagire ma senza coordinamento intereuropeo: ogni nazione cercava di supportare i propri campioni nazionali – il “particulare” di guicciardiniana memoria, anche tramite trattati o joint-venture industriali bilaterali con gli USA. La competizione fra i David europei e il Golia americano non si risolse come nel racconto biblico, ma con la conferma di una massiccia superiorità a stelle e strisce. Nel 1973 la produzione americana di circuiti integrati era 19 volte quella europea e le aziende statunitensi dominavano il mercato, con 8 aziende USA fra le prime 10 nella classifica dei maggiori produttori di semiconduttori a metà anni ‘70. Va a merito dei politici continentali degli anni ’80 del secolo scorso avere infine recepito le istanze per un supporto dell’industria dei semiconduttori sotto il cappello di un coordinamento europeo: a metà anni ’80 furono lanciati i primi fondi europei per finanziare progetti che coinvolsero svariati partner europei in azioni di ampio respiro scientifico e tecnologico internazionale, a partire dal I programma quadro del 1984. La robusta iniezione di capitali pubblici e privati europei stimolò la crescita delle attività di ricerca e sviluppo, sia in ambito accademico che aziendale, e proseguì – anche se perdendo parte del vigore inziale – per alcuni anni. Alla fine del XX secolo ben 3 aziende europee di semiconduttori erano fra le prime 10 a livello globale: STMicroelectronics (Italo-francese), Infineon (tedesca) e Philips (dei Paesi bassi), a testimonianza di un ambiente europeo che era diventato ecosistema accogliente per lo sviluppo delle tecnologie più avanzate e delle fabbriche più efficienti. Dall’inizio del XXI secolo la spinta, politica in primis, per supportare lo sforzo europeo nel campo dei semiconduttori scemò rapidamente, e in ambito industriale si privilegiò il ritorno economico immediato rispetto al costoso sviluppo di tecnologie e aziende nel vecchio continente, provocando una massiccia delocalizzazione delle produzioni verso lidi più accoglienti e soprattutto meno costosi, in primis la Cina. Lo sviluppo delle tecnologie microelettroniche più scalate, seguendo la riduzione della dimensione dei transistor associata ai nodi tecnologici al di sotto dei 100 nm, si arenò a metà della scorsa decade, quando anche il nostro ultimo campione – STMicroelectronics – decise di fermarsi nella corsa a chip sempre più densi e scalati. Conseguenze inevitabili furono una crescita modesta nella quantità di chip prodotti e una focalizzazione su mercati specifici, quali quelli per applicazioni automotive e industriali, basati su tecnologie meno scalate, le cosiddette tecnologie legacy, ma uscendo dal mercato dei microprocessori più potenti e delle memorie. Siamo arrivati così alla situazione odierna, in cui non vi è in Europa un solo produttore di chip di memoria o GPU, che come detto sopra fungono da traino del corrente sviluppo industriale della microelettronica. La crisi dei chip innescata dal Covid ha finalmente resuscitato l’attenzione dei politici verso una industria, quella dei semiconduttori, considerata strategica per lo sviluppo economico, sociale, tecnologico e militare: l’European chips act (2022) ha cercato di invertire la rotta. Purtroppo gli errori fatti negli anni ’60 e ’70 si sono ripetuti anche in questo inizio di XXI secolo, e pure il Chips act non ne è rimasto immune: fondi insufficienti, coordinamento europeo nullo, competizione fra nazioni per accaparrarsi le risorse, scelte di partnership tecnologiche sbagliate. Il primo EU Chips act non è riuscito a decollare (ne potremo vedere le ragioni in un prossimo intervento) e si sta già lavorando al successore, il Chips act 2.0, cui auguriamo migliore fortuna del precedente.

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Granchio blu: cosa succede quando ingegneria e biologia marina collaborano

“Granchio blu, la terza invasione! Puoi solo dichiarare guerra a questi mostri!” declamava Andrea Pennacchi lo scorso 18 settembre all’Orto Botanico di Padova, nel suo studio per uno spettacolo intitolato “Alieni in Laguna”. Com’è noto, il granchio blu (Callinectes sapidus) è una specie invasiva legata ai cambiamenti ambientali e climatici che minaccia la biodiversità marina e la pesca, in particolare nel Nord Adriatico. L’emergenza granchio blu è un problema complesso, che richiede un approccio transdisciplinare. Un esempio virtuoso di questo tipo di collaborazione nasce dal Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione (DEI) dell’Università di Padova, che unisce, in un lavoro sinergico, l’ingegneria dei sistemi di controllo e la biologia. Come racconta il Prof. Mirco Rampazzo (DEI – Unipd), l’idea di una collaborazione con il Dipartimento di Biologia è nata grazie a una studentessa di Control Systems Engineering. La studentessa era fortemente interessata all’ecologia delle popolazioni (come crescono, si riproducono e mutano), un argomento  che in passato era parte del programma dell’insegnamento di sistemi ecologici tenuto al DEI dai Proff. Giovanni Marchesini ed Ettore Fornasini. Per darle la possibilità di approfondire il tema, Rampazzo l’ha messa in contatto con il Prof. Alberto Barausse (Dipartimento di Biologia, DiBio – Unipd), un ingegnere ambientale specializzato in ecologia acquatica applicata e direttamente coinvolto negli studi sul granchio blu. Il granchio blu è diventato così il soggetto centrale della tesi di Caterina Nespolo, con l’obiettivo di descrivere le dinamiche della specie (nascita, crescita e distribuzione) applicando gli strumenti tipici dell’ingegneria: i modelli matematici, in particolare i sistemi dinamici, e le simulazioni numeriche. Come spiega Mirco Rampazzo, l’utilizzo di modelli matematici permette di rappresentare in modo astratto il mondo reale, che è intrinsecamente complesso, ovvero di tradurre le molteplici interazioni ecologiche in uno scenario semplificato, in equazioni, per comprendere la dinamica della popolazione, il suo andamento, come si distribuisce spazialmente, se ci sono situazioni di equilibrio stabili o instabili e quali siano le interconnessioni fra cause ed effetti. Grazie ai modelli matematici è dunque possibile fare previsioni sull’andamento futuro del granchio blu. I modelli e le simulazioni possono così contribuire a supportare le decisioni di gestione, valutando in anticipo l’impatto di diverse azioni (ad esempio, quanto intensamente pescare) sugli equilibri dell’ecosistema. Affinché i modelli siano affidabili, è necessario avere a disposizione molti dati. Il gruppo dei proff. Alberto Barausse e Carlotta Mazzoldi sta raccogliendo dati sul granchio blu, grazie anche a progetti finanziati dalla Fondazione Cariparo e dal FEAMPA (Fondo europeo per gli affari marittimi, la pesca e l’acquacoltura) e sta sviluppando strumenti modellistici ai fini previsionali. La raccolta dati si svolge sia sul campo, in particolar modo nelle lagune del Delta del Po, Venezia, Caorle, sia in laboratorio. Osservatori dell’Università di Padova, assieme ai pescatori locali, misurano, pesano e verificano il sesso dei granchi catturati in trappole e reti. Nello stesso tempo, si registrano le condizioni ambientali, in particolare temperatura e salinità, ritenute fondamentali per comprendere la distribuzione del granchio blu. In laboratorio (nella Stazione Idrobiologica “Umberto D’Ancona” a Chioggia,, struttura dell’università di Padova fondata negli anni Quaranta del secolo scorso), si effettuano invece esperimenti controllati in acquario, per misurare la tolleranza e la reazione fisiologica del granchio a diverse combinazioni di temperatura e salinità.     Recovered_probe Probe_in_field Nassa Biometric_measurements Crab_with_HR_sensor   Questi dati sono fondamentali perché il granchio blu è una specie plastica: la sua fisiologia si adatta a seconda delle condizioni ambientali locali. I dati raccolti negli Stati Uniti, dove ci sono molti studi sull’argomento, non sono estrapolabili ai granchi blu del nostro territorio: per poter fare previsioni affidabili nell’Adriatico dobbiamo lavorare sui nostri dati. In realtà, servirebbero anni di misurazioni, sottolinea Barausse, ma siccome non possiamo dedicare anni a raccogliere dati, visto che vi è un’emergenza in corso, usiamo lo spazio per sopperire alla mancanza di tempo, ovvero monitoriamo tanti punti diversi per verificare l’effetto della salinità e della temperatura sul granchio blu. Per contrastare l’invasione del granchio blu nell’Adriatico si sono uniti in uno sforzo congiunto Presidenza del Consiglio, Ministeri, Università ed enti di ricerca scientifica, rappresentanze di categoria, sotto il coordinamento di un Commissario Straordinario, Enrico Caterino. Oggi chi deve prendere le decisioni per gestire “l’emergenza granchio blu” è di fronte a una scelta complessa.  Da una parte si pensa al prelievo mirato e al contenimento. Dall’altra si pensa a uno sfruttamento sostenibile. Se si andasse in questa seconda direzione si tratterebbe di accettare, dunque, la presenza della specie nel breve e medio termine e sviluppare una filiera economica. Oltre allo sfruttamento in ambito alimentare, si stanno studiando utilizzi alternativi del granchio blu, come la produzione di ammendanti, biogas o l’estrazione di chitosano (NdR: un polisaccaride che sembrerebbe efficace nel ridurre l’assorbimento intestinale di colesterolo e trigliceridi). Questa scelta richiederebbe pertanto una gestione sostenibile del granchio blu, per mantenere la risorsa a lungo termine nelle nuove filiere. Dunque, è a livello di modelli che il DEI può apportare un contributo cruciale in entrambi questi contesti. L’obiettivo è duplice. In primo luogo, i modelli servono per analizzare la situazione attuale in modo da individuare gli stadi vitali più critici (come le femmine con le uova in riproduzione) e calcolare con precisione quanto pescare per ridurre al massimo la popolazione. In secondo luogo, questi strumenti sono essenziali per prevedere gli scenari futuri, garantendo così il mantenimento della risorsa “granchio blu” per un suo sfruttamento sostenibile. L’auspicio è che questa collaborazione transdisciplianre  tra Ingegneria dei Controlli e Biologia, che applica un approccio integrato e modelli previsionali per affrontare un problema così articolato, possa aiutare i decisori (come governi e organi legislativi) a compiere le scelte più sostenibili.   Approfondimenti:Granchio Blu. Nuovo progetto pilota da 1,5 milioniBlue crab action plan, nuovo progetto per mappare il granchio blu Focus ARPA VenetoGranchio blu: la Fondazione in campo per salvare l’ecosistema marino Specie aliene nella laguna di Venezia: non solo il granchio blu  

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La ricerca sull’elettronica organica avanza. Il progetto ERC di Giorgio Ernesto Bonacchini al DEI: MiMETIC

Quando pensiamo all’elettronica, immaginiamo dispositivi tecnologici il cui funzionamento dipende da materiali inorganici come il silicio, i metalli o, per chi ne sa qualcosa in più, anche il nitruro di gallio, tutti materiali inorganici. Esiste però un’elettronica diversa, un’elettronica che implementa polimeri o piccole molecole principalmente a base di carbonio e idrogeno: l’elettronica organica. Grazie a questa diversa composizione, l’elettronica basata sui materiali organici presenta caratteristiche uniche di flessibilità meccanica e biocompatibilità, nonché di sostenibilità economica ed ambientale.Questo tipo di tecnologia viene principalmente utilizzata per dispositivi elettronici a bassa frequenza, come i biosensori, e nei dispositivi optoelettronici, come gli OLED (schermi di televisori e cellulari), e ha però sempre avuto un limite: la sua lentezza. Questo la rende inadatta per le telecomunicazioni e altre applicazioni ad alta frequenza. Si parla, infatti, di un gap significativo nello spettro elettromagnetico. Questo gap rappresenta una missed opportunity, un’occasione mancata per l’elettronica organica che, ad oggi, non viene utilizzata in settori dove le microonde e le alte frequenze sono fondamentali, come radar, telecomunicazioni, imaging biomedicale, per la sicurezza (per esempio, scanner aeroportuali) e per la caratterizzazione dei materiali a livello industriale. Proprio con l’intenzione di iniziare a colmare questo gap scientifico e tecnologico, nasce MiMETIC (Microwave Metadevices based on Electrically Tunable organic Ion-electron Conductors), il progetto di ricerca premiato con un ERC da oltre due milioni di euro al suo principal investigator, il prof. Giorgio Ernesto Bonacchini. Con MiMETIC, il prof. Bonacchini propone una soluzione per superare questo limite: accoppiare i materiali elettronici organici ad antenne e/o matrici di antenne (note anche come metasuperfici) operanti nelle microonde o nei terahertz, al fine di poterne controllare le proprietà elettromagnetiche in tempo reale. Questo approccio, finora inesplorato, permette per esempio di realizzare “specchi” o “lenti” per le microonde le cui caratteristiche di riflessione e/o rifrazione possono essere sintonizzate e corrette a seconda delle esigenze, permettendo quindi la manipolazione e il controllo delle onde elettromagnetiche con estrema precisione. Rispetto ad altre tecnologie con finalità simili, i materiali organici offrono dei vantaggi tecnologici che trascendono le semplici performance elettriche. Visto che i materiali conduttori e semiconduttori organici sono costituiti da molecole e polimeri a base di carbonio simili alle plastiche convenzionali, questi possono quindi essere facilmente disciolti allo stato liquido e processati come veri e propri inchiostri funzionali, sfruttando una svariata gamma di tecniche di stampa industriale, come la stampa a getto di inchiostro, la serigrafia e flexografia. I vantaggi di questo approccio sono molteplici poiché offrono flessibilità, bassi costi di produzione e processi a temperature inferiori ai 200 gradi Celsius, con i relativi benefici di sostenibilità economica e ambientale che ne derivano. Inoltre, come per la stampa tradizionale, questi processi permettono la realizzazione di elettronica su superfici di grande estensione e a grandi velocità di produzione, potenzialmente decine di metri al minuto, su supporti planari di vario tipo, inclusi i laminati plastici sottili e trasparenti tipicamente utilizzati per il packaging, o addirittura su carta. Questi “formati” di dispositivo, che ad oggi non possono essere implementati con altre tecnologie, aprono la strada a una serie di applicazioni innovative e poco esplorate. Ad esempio, in futuro potremmo realizzare metasuperfici meccanicamente flessibili di diversi metri quadrati, stampate su vestiario o su veicoli come aerei e automobili, per aumentarne la capacità di comunicazione, o persino per creare “mantelli dell’invisibilità” nelle microonde. Questi oggetti potrebbero abilitare una comunicazione più efficiente tra i nostri smartphone e i dispositivi indossabili, come ad esempio smartwatch, smartglasses o altri sensori ambientali, incanalando o focalizzando le microonde lungo direzioni preferenziali e riducendo, quindi, sia il dispendio energetico sia l’esposizione del corpo a onde elettromagnetiche. Questo tipo di applicazioni potrebbe essere di grande interesse anche per applicazioni in ambito di logistica, monitoraggio ambientale e agritech. Un’altra applicazione promettente che potremmo vedere realizzata è quella delle interfacce bioelettroniche. I materiali elettronici organici, per via della loro composizione chimica a base carbonio relativamente simile a quella dei tessuti viventi biologici, sono infatti delle ottime interfacce bioelettroniche in grado di trasdurre segnali biologici in segnali elettronici. Sensori basati su metasuperfici organiche a contatto con la pelle o all’interno del corpo potrebbero quindi essere sfruttati per rilevare biosegnali e diffonderli a distanza, senza richiedere alimentazione elettrica e complessi circuiti ad alta frequenza, riducendo drasticamente complessità, l’invasività e costi rispetto alle tecnologie convenzionali. Al di là delle possibili applicazioni che propone questo progetto, l’obiettivo più ad ampio respiro di MiMETIC è anche quello di avvicinare due comunità scientifiche: quella dei metadispositivi ottici/microonde e quella dell’elettronica organica, per esplorare le loro intersezioni e promuovere nuove scoperte e applicazioni. Note di approfondimento (in inglese): Il progetto è su Cordis il sito del servizio Comunitario di Informazione in materia di Ricerca e Sviluppo. Articolo su Springer Nature /Research Communities. Articolo su Techxplore.

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