Une expédition NSF en informatique : Mind in Vitro – Computing with Living Neurones
La National Science Foundation a attribué un projet de 15 millions de dollars sur 7 ans à une équipe multiuniversitaire dirigée par l’Université de l’Illinois Urbana-Champaign (UIUC). La recherche révolutionnaire et pionnière qui en résulte, intitulée « Mind in Vitro – Computing with Living Neurons », imaginera des ordinateurs et des robots conçus par l’homme, mais vivants.
Le projet est soutenu par le programme NSF Expeditions in Computing, qui a été créé il y a plus de dix ans par la Direction de l’informatique et des sciences de l’information et de l’ingénierie (CISE) de la Fondation pour s’appuyer sur les succès passés et offrir à sa communauté de recherche de nouvelles opportunités ambitieuses à poursuivre. .
Cette expédition – l’une des deux à être récompensée cette année – cherchera des réponses à une multitude de questions nouvelles et fondamentales : les systèmes informatiques peuvent-ils être construits à partir de neurones vivants ? Peuvent-ils atteindre les caractéristiques de base de la cognition telles que l’apprentissage, l’attention, la curiosité ou la créativité, si omniprésentes en biologie mais insaisissables dans l’informatique moderne ? Comment concevons-nous et fabriquons-nous le « wetware » envisagé ? Comment comprend-on son langage ? Comment penser le logiciel en termes d’émergence plutôt que de logique prescrite ?
La technologie qui en résultera aura un impact profond et durable dans pratiquement tous les domaines liés au traitement de l’information, à la robotique, à la santé et à la médecine, avec une profonde ramification à travers les connaissances humaines.
Il a le potentiel de révolutionner les neurosciences, avec des modèles comportementaux radicalement nouveaux.
« Dans cette expédition, nous imaginons des ordinateurs et des robots conçus par l’homme, mais vivants. Qui peut être programmé, mais dont les comportements ne sont pas spécifiés – et au contraire, émergent. Ces systèmes grandiront, guériront, apprendront et exploreront. Ils ouvriront un nouvel espace de possibilités encore à imaginer », a déclaré Mattia Gazzola, codirecteur de Mind in Vitro, Mechanical Science & Engineering à l’UIUC.
En plus de Gazzola, le projet comprend les co-directeurs Nancy M. Amato, Computer Science at UIUC; et Taher Saif, sciences mécaniques et ingénierie à l’UIUC.
En outre, le projet comprend la responsable de l’évaluation Aileen Reid, School of Education à UNC Greensboro ; Responsable de l’éthique Nicole Martinez, Centre d’éthique biomédicale de Stanford, Département de pédiatrie de l’Université de Stanford ; et Amato en tant que responsable de la sensibilisation et de l’éducation.
Des équipes de chercheurs et d’étudiants développeront en collaboration la science et la technologie pour fabriquer, modéliser, programmer, mettre à l’échelle et incarner des processeurs biologiques.
Leur travail se déroulera sur quatre axes, structurés autour de ce qui fait qu’un système calcule et agit :
- Wetware – dirigé par Hyunjoon Kong, génie chimique et biomoléculaire à l’UIUC – intégrera des cultures neuronales sur une plate-forme technique qui fournit des interfaces d’entrée/sortie.
- L’architecture – dirigée par Josep Torrellas, informatique à l’UIUC – créera un substrat programmable pour prendre en charge des calculs utiles.
- La programmation – dirigée par Lawrence Rauchwerger, informatique à l’UIUC – développera une pile logicielle et un modèle de programmation pour configurer et exécuter le substrat.
- Robotic Embodiment – dirigé par Gazzola et Saif – démontrera le traitement multisensoriel et sondera l’émergence de traits cognitifs rudimentaires chez les robots biologiques mobiles.
Les personnes suivantes composent le reste de cette équipe de recherche : Rashid Bashir, Bioengineering, UIUC ; John M. Beggs, Physique, Indiana University Bloomington; Karin Dahmen, Physique, UIUC ; John Rogers, matériel, génie biomédical et chirurgie neurologique, Northwestern University ; Sepideh Sadaghiani, Collège des arts libéraux et des sciences, Département de psychologie, UIUC ; Ivan Soltesz, neurochirurgie et neurosciences, Université de Stanford ; et Lav R. Varshney, Génie électrique et informatique, UIUC.
Ce projet servira également de catalyseur de la recherche en éthique. Son pouvoir évocateur passionnera les étudiants de tous horizons autour de l’informatique.
L’enthousiasme autour de ce projet sera mis à profit pour initier et développer une communauté Mind in Vitro, par le biais de stages, d’ateliers, de séminaires et d’un mini-programme dédié. Les expositions Art-of-Science dans des espaces publics massifs nous permettront de nous connecter avec un public large et diversifié. Enfin, un engagement total envers la science ouverte est essentiel, et les protocoles, les logiciels, le matériel et le matériel pédagogique seront tous mis à disposition gratuitement.
« Cette expédition capte l’imagination, et je suis sûr qu’elle accélérera l’intérêt pour les domaines STEM en général et l’informatique en particulier », a déclaré Susan A. Martinis, vice-chancelière pour la recherche et l’innovation à l’UIUC. « Ce type de travail collaboratif et créatif correspond vraiment à notre mission de recherche à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, stimulant les expériences des étudiants et l’engagement communautaire, et alimentant l’innovation et le changement positif aux niveaux local, national et mondial. »
Grâce au programme NSF Expeditions in Computing, l’expédition Mind in Vitro – Computing with Live Neurons ouvrira un nouvel espace de possibilités en informatique encore à imaginer au cours des sept prochaines années.
L’effort multidisciplinaire et multi-institutionnel s’appuiera sur l’expertise du Grainger College of Engineering et de l’Institut Carl R. Woese de biologie génomique de l’UIUC, et de ses institutions partenaires : Indiana University, Northwestern University, Stanford University et UNC Greensboro.
Cette équipe offre collectivement les ressources et les opportunités nécessaires à ce programme. L’UIUC possède d’importants laboratoires qui fournissent une informatique de pointe (National Center for Supercomputing Applications), la culture cellulaire et l’imagerie (Carl R. Woese Institute for Genomic Biology, Beckman Institute), la fabrication (Micro and Nanotechnology Lab) et la caractérisation (Laboratoire de recherche sur les matériaux). Le Wu Tsai Neuroscience Institute de Stanford dispose d’une technologie de pointe pour la manipulation des circuits neuronaux. L’Institut de bioélectronique de Northwestern fournit des capacités de bio/nanofabrication de classe mondiale. IU abrite le Gill Center for Biomolecular Science et le Network Science Institute.
« Les deux prix 2022 soutiennent les efforts qui envisagent les futurs matériaux pour les systèmes informatiques à l’ère de la loi post-Moore et qui tracent une recherche approfondie des matériaux eux-mêmes aux opportunités d’application de niveau supérieur et aux avantages sociétaux qui peuvent en découler », a déclaré Directrice adjointe de la NSF pour l’informatique et les sciences de l’information et l’ingénierie Margaret Martonosi.