Laureata in fisica nel 1990 all'Università di Pisa, nel 1994 consegue il dottorato in Ingegneria alla Scuola Superiore Sant’Anna. Da novembre 2006 è professore ordinario di Bioingegneria all’Istituto di Biorobotica della Scuola di Studi Avanzati di Sant’Anna.
Dal 2007 al 2013 è stata Rettrice della Scuola Superiore Sant’Anna. Eletta al Parlamento nel 2013, dal 28 aprile 2013 a febbraio 2014 è stata Ministro dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca. Da marzo 2014 è membro Commissione Affari Esteri e Comunitari della Camera dei Deputati.
Le sue attività politiche riguardano l’area degli accordi internazionali per le telecomunicazioni, lo spazio e la scienza; supporta inoltre la Commissione per l’Agenda 2030 per la Cooperazione Internazionale. È membro del Intergruppo Parlamentare per l’Innovazione, e partecipa regolarmente alla Conferenza Interparlamentare Europea sull’Immigrazione per conto della Commissione Affari Esteri.
Ricopre ruoli di coordinamento e ricerca per diversi progetti di ricerca nazionali e internazionali, con un particolare focus sulla robotica indossabile, l’ingegneria riabilitativa, gli arti cibernetici, i sensori tattili. Attualmente coordina l’Area di NeuroRobotica all’Istituto di BioRobotica della Scuola Superiore Sant’anna. È autrice di numerosi articoli scientifici - oltre 80 articoli indicizzati ISI e oltre 120 paper in atti di convegni referenziati - e di 15 brevetti internazionali.
Collabora nel campo della ricerca con Giappone, Repubblica di Corea, Cina; è guest professor alla Zhejiang University, alla Tianjin University e alla Tongji University. È Presidente del Panel per la Valutazione ad Interim del FET Flagships Programme per la Direzione generale delle Reti di comunicazione, dei contenuti e delle tecnologie della Commissione Europea.