التصنيع بالإضافة
قد تكون التصنيع الإضافي مفتاحًا في تسويق “ذاكرة المعدن السائل”
نهج جديد لأنظمة التخزين، حققه باحثون من جامعة تسينغوا في الصين، يتيح ذاكرة مرنة دون الإضرار بأداء الأجهزة الإلكترونية. تم تمويله من قبل الصندوق الوطني للعلوم الطبيعية في الصين، وصندوق ما بعد الدكتوراه الصيني، وبرنامج منحة شيمو تسينغوا،هذا البحث يقدم “ذاكرة المعدن السائل” في منشور حديث في “المواد المتقدمة”.
أنظمة التخزين، كونها مكونات حيوية للأجهزة الإلكترونية، يجب أن تصبح أكثر مرونة مع تزايد ظهور الإلكترونيات القابلة للارتداء المتقدمة، والأجهزة الطبية الحيوية، والروبوتات اللينة. يجب أن تمتد هذه الأنظمة وتنعطف وتلتف إلى أقصى الحدود دون التأثير على أداء الأجهزة الناشئة.
تحقيق الذاكرة المرنة كان تحديًا بسبب قيود طرق التخزين التقليدية. تقترح الدراسة الأخيرة فئة جديدة من مبادئ التخزين مستوحاة من آليات الاستقطاب وإزالة الاستقطاب في الدماغ البشري.
من خلال إدخال سلوكيات الأكسدة وإزالة الأكسدة للمعادن السائلة، حقق الفريق ذاكرة مرنة بالكامل. استخدم الباحثون أكسدة كيميائية عكسية لتعديل الموصلية الكلية للمعادن السائلة المستهدفة، مما خلق فرق مقاومة بترتيب 11 للبيانات الثنائية، كما هو مذكور.
للحصول على أفضل أداء للتخزين، تم إجراء تحسينات منهجية لعدة معلمات. أظهرت التجارب المفاهيمية استقرار الذاكرة في سيناريوهات تشوه قصوى، بما في ذلك الالتواء بزاوية 360°، والانحناء بزاوية 180°، والتمدد بنسبة 100%. أظهرت الاختبارات الإضافية أداءً أفضل مع أحجام وحدة أصغر للذاكرة.
خلص الفريق إلى أن نظام التخزين الخاص بهم يحقق سرعة تخزين سريعة تزيد عن 33 هرتز وسعة احتفاظ بالبيانات لأكثر من 43200 ثانية، مع تشغيل مستقر ومتكرر حتى 3500 دورة. تشير هذه المقاييس الأداء الم remarkable إلى أن “الطريقة الثورية” يمكنها التغلب على قيود الصلابة الفطرية للوحدات الإلكترونية الحالية مع تمهيد الطريق لأجهزة عصبية اصطناعية مبتكرة.
وبالتالي، تغير ذاكرة المعدن السائل المفاهيم التقليدية للذاكرة المرنة، وتوفر مسارات عملية للتطبيقات المستقبلية في أنظمة الذكاء الاصطناعي المستوحاة من الطبيعة، والروبوتات اللينة، والإلكترونيات القابلة للارتداء.
نهج غير تقليدي: استخدام معدن سائل
إن الاستخدام المتزايد للأجهزة المرنة يعني أن الطلب على خصائص الذاكرة القابلة للتشوه سيزداد، وفقًا لجينغ ليو، أستاذ في قسم الهندسة الطبية الحيوية بجامعة تسينغوا في بكين، في مقابلة.
يُطلق على جهاز الذاكرة المقاومة المرنة اسم FlexRAM وتم تطويره باستخدام نهج غير تقليدي — السائل. تخزن هذه الذاكرة القائمة على المعدن السائل المعلومات في بيئة محلول، مشابهًا لكيفية عمل دماغنا، الذي يتكون من حوالي 70٪ ماء.
من خلال تبني هذا النهج المقلد للطبيعة، تميز FlexRAM نفسها عن أنظمة الذاكرة الحالية، التي هي صلبة. وفقًا لليو، يشبه النهج المقلد للطبيعة “البيئات المائية العاملة داخل الكائنات الحية”.
حتى الآن، كان مرونة أجهزة الذاكرة الحالية محدودة لأنها عادةً ما تُصنع بوضع مكونات الذاكرة غير القابلة للانحناء على مواد ناعمة. هذا يجعل الأجهزة مرنة جزئيًا فقط ويؤدي إلى تقشير وتشققات عند تشوه الجهاز.
يهدف FlexRAM إلى تغيير ذلك باستخدام سبيكة مكونة من الغاليوم والإنديوم كمكون للذاكرة لتصنيع جهاز التخزين الخاص بهم. تُعد المعادن السائلة القائمة على الغاليوم مادة جذابة بسبب ميزاتها الممتازة، مثل التوصيل الكهربائي والحراري العالي، والسمية المنخفضة، واللزوجة القليلة مع طبيعة سائلة في درجة حرارة الغرفة.
مستوحى من الدماغ، يمر المادة بعملية أكسدة واختزال في بيئة محلول، مشابهًا لخلايا دماغنا العصبية. تُستقطب الخلية العصبية عندما تكون غشاء البلازما الداخلي مشحونًا سالبًا مقارنةً بالخارج، وعندما يصبح الشحن أقل سلبية، يُطلق على ذلك إزالة الاستقطاب.
بالإضافة إلى ذلك، يحافظ المادة على حالتها السائلة في درجة حرارة الغرفة. هذا يُسهل أكسدتها لتكوين طبقة كثيفة من أكسيد الغاليوم على سطح السائل. تتوافق هذه الطبقة من أكسيد الغاليوم مع حالة مقاومة كهربائية عالية لنظام التخزين وحالة مقاومة منخفضة للغاليوم العنصري، الشكل المختزل للمادة السائلة.
نسبة المقاومة العالية، الفرق بين مقاومة هاتين الحالتين، ضرورية لأداء تخزين الذاكرة.
تحقيق تكامل عالي وقابلية توسع
عند الحديث عن الأداء، تحتاج أجهزة تخزين الذاكرة إلى مجموعة واسعة من الخصائص، بما في ذلك كفاءة الطاقة، وسرعات القراءة والكتابة السريعة، وكثافة التخزين العالية، واحتفاظ البيانات، والمتانة، والموثوقية. تكمن المشكلة في تحقيق توازن بين هذه الجوانب مع تعظيم مرونة الجهاز.
لذلك، لتطوير جهاز يمكنه تحمل مستويات عالية من التشوه، استخدم فريق الباحثين بوليمرًا قابلًا للتمدد يُدعى Ecoflex كمادة تغليف.
ثم استخدم الفريق طابعة ثلاثية الأبعاد لطباعة قوالب Ecoflex. الطباعة ثلاثية الأبعاد أو التصنيع الإضافي تمكّن من إنتاج أشياء معقدة. يسمح بإنتاج عناصر لم تكن ممكنة اقتصاديًا باستخدام التصنيع التقليدي. يعني التصنيع الإضافي أساسًا إنشاء أجسام ثلاثية الأبعاد عن طريق وضع طبقات من المادة وفق تصميم تم إنشاؤه بالحاسوب.
نظرًا لتكلفتها الفعّالة، الطباعة ثلاثية الأبعاد جعلت التصنيع متاحًا للجماهير للمرة الأولى. وفي الوقت نفسه، فإن قدرتها على تقديم مرونة التصميم والنمذجة السريعة تجعل هذه التقنية شائعة بين العلماء والباحثين.
وبمجرد إنشاء الجهاز، وُضعت قطرات من المعدن السائل القائم على الغاليوم في تجاويف القوالب. لمنع تسرب المحلول، استخدم الباحثون أيضًا قطرات من محلول هيدروجيل بولي فينيل أسيتات، التي تم حقنها بشكل منفصل بسبب قدرتها على زيادة نسبة المقاومة للجهاز وتعزيز خصائصه الميكانيكية.
كان حجم قطرة المعدن السائل مهمًا هنا لأنه يؤثر بشكل كبير على نسبة حالة المقاومة العالية/المقاومة المنخفضة في الجهاز. يؤدي حجم القطرة الأصغر إلى زيادة النسبة بسبب تأثير طبقة أكسيد السطح المتضخم. لذا، كلما كان حجم القطرة أصغر، “كلما كان استجابة الذاكرة أكثر حساسية”.
قال ليو:
“تقليل حجم القطرة يفيد تكامل وتوسع FlexRAM، مما يجعل الذاكرة المرنة بالكامل وعالية الكثافة خيارًا واعدًا لتطويرات هندسية متنوعة.”
قراءة وكتابة وتخزين البيانات
الآن، عندما يتعلق الأمر بترميز البيانات، يقوم FlexRAM بذلك من خلال عمليات الأكسدة والاختزال للمعدن السائل.
إذًا، الطريقة هي أن المعدن السائل القائم على الغاليوم يتأكسد عند تطبيق جهد منخفض. هذا يمنحه حالة مقاومة عالية تمثل “1”. عند عكس قطبية الجهد، يعود المعدن السائل إلى حالته الأصلية منخفضة المقاومة تمثل “0”. تسمح عملية التبديل العكسي هذه بتخزين ومحو الذاكرة في الجهاز.
لإظهار قدرة القراءة والكتابة لـ FlexRAM، دمج الباحثون الجهاز في إعداد برمجي ومادي. باستخدام أوامر الحاسوب، كتب الفريق سلسلة من الأرقام والحروف على مصفوفة من ثمانية وحدات تخزين FlexRAM.
تم ترميز هذه الحروف والأرقام على شكل 0 و 1 وتوافقت مع 1 بايت من معلومات البيانات، وهو بعيد عن سعة الذاكرة من الفئة الاستهلاكية.
في الخطوة التالية، استخدم الفريق تقنية تُسمى تعديل عرض النبضة، التي حولت الإشارة الرقمية من الحاسوب إلى إشارة تماثلية. سمحت التقنية لهم بالتحكم الدقيق في أكسدة واختزال المعدن السائل.
ثم طبق الفريق جهد اختبار قصير قدره 1 فولت أثناء قراءة المعلومات لقياس حالة المقاومة للنظام دون تغيير حالة الأكسدة والاختزال للمعدن. تُنقل التيار بعد ذلك إلى الحاسوب، الذي يحول الإشارة إلى 0 أو 1 باستخدام خوارزمية. أخيرًا، يُعرض الرسالة المشفرة على شاشة LED.
بينما النموذج الأولي هو ذاكرة متقلبة، يسمح المبدأ بتطوير الجهاز إلى أشكال مختلفة من الذاكرة.
يمكن ملاحظة ذلك من خلال ملاحظة أن البيانات المخزنة في الجهاز تستمر حتى عند إيقاف الطاقة. قد يعني ذلك أن الجهاز واعد كنوع من التخزين المرن وربما يتجاوز الذاكرة العشوائية. أشار ليو إلى:
“يمكن دمج FlexRAM في أنظمة حوسبة كاملة تعتمد على السائل، لتعمل كجهاز منطقي.”
يمكن لـ FlexRAM أيضًا الاحتفاظ ببياناته لمدة تصل إلى 43,200 ثانية أو 12 ساعة في بيئة منخفضة أو خالية من الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام الجهاز مرارًا وتكرارًا مع الحفاظ على أداء مستقر لأكثر من 3500 دورة. على الرغم من أنه بداية جيدة، إلا أنه لا يقترب من ما تستطيع الذاكرة التقليدية غير المرنة تحقيقه، التي تصل إلى الملايين.
إمكانات تطبيقية واسعة
بينما أظهر الجهاز أداءً واعدًا، فإن زمن استجابته ومستوى تكامله لا يرقى إلى المعايير التجارية. وهذا يعني أنه لا يزال هناك حاجة إلى تحسينات في عدة جوانب، بما في ذلك عملية التصنيع التي، في الوقت الحالي، تتضمن تعبئة المواد بالتتابع.
يهدف الفريق إلى استخدام عمليات تصنيع ذكية وآلية إلى جانب طباعة ثلاثية الأبعاد جوية وتقنية التغليف.
مع ذلك، التقنية لا تزال حديثة جدًا وستستغرق سنوات لتصبح واقعية بالكامل. ومع ذلك، فإن إثبات المفهوم مشجع، وقد جذب هذا النهج الجديد اهتمام الصناعة مع استكشاف عدة مفاهيم قائمة على السائل.
أحد هذه الأبحاث كان مُظهرًا قبل بضع سنوات عندما تم اقتراح مفهومين جديدين للتخزين القائم على السائل — الذاكرة الغروية والذاكرة الكهرو-ليثية، التي لديها القدرة على تطبيقات تخزين كثيفة جدًا قريبة من الخط.
مرة أخرى، من خلال الاستلهام من التقدم في علوم الحياة، تم اقتراح وسط تخزين لتكوين مصفوفة كثيفة من أجهزة الوصول يكون سائلًا يحتوي على أيونات أو جزيئات أو (نانو)جسيمات، يمكن التحكم فيها في أحجام أكبر لتصبح جهاز وصول جزءًا من مصفوفة كثيفة.
تتوقع IMEC، مركز البحث والابتكار في النانوإلكترونيات والتقنيات الرقمية، إدخال الذاكرة السائلة بدءًا من عام 2030 فصاعدًا. وتُشير إلى أنه مع هذه النهج، يمكن دفع كثافة تخزين البت نحو نطاق 1 تيرابيت/مم² بتكلفة عملية أقل لكل مم². كما أشارت إلى أنه لكي تكون حلول التخزين هذه قابلة للتطبيق في التطبيقات القريبة من الخط، يجب أن تتمتع التقنية بزمن استجابة مناسب، واستهلاك طاقة، وعرض نطاق (مثلاً 20 جيجابت/ث)، ومتانة دورية (10³ دورات قراءة/كتابة)، والقدرة على الاحتفاظ بالبيانات لأكثر من عقد من الزمن.
في مثال آخر، في عام 2020، حصل الباحثون على شحنة من بطاريات المعدن السائل. هنا، كان كل من محلول الملح، والأنود المعدني، والقطب الموجب في حالة سائلة. مقارنةً بالبطاريات الصلبة، تستفيد بطاريات المعدن السائل من الانتشار السريع للأيونات بين الأقطاب، مما يعني دورات شحن وتفريغ سريعة.
علاوةً على ذلك، تكون الضغوط الميكانيكية أقل بكثير، وتُزيل الحاجة إلى الأغشية والفواصل مع تعزيز الاستقرار على المدى الطويل والفائدة. أشار البحث إلى أن بطاريات المعدن السائل، رغم وزنها الثقيل، غير قابلة للاشتعال وقد تكون أكثر ملاءمة لتخزين الكهرباء على نطاق واسع.
مؤخرًا، اكتشف العلماء اكتشفوا مركبًا قائمًا على المعدن السائل يتيح وصلات كهربائية وميكانيكية قوية بين الدوائر اللينة والمكونات الكهربائية الصلبة. يأمل الباحثون أن يلعب هذا المادة، المسماة E-CASE، وهي مادة لاصقة موصلة كهربائيًا تحتوي على الفضة والغاليوم-الإنديوم المتجانس (EGaIn)، دورًا في الإلكترونيات والروبوتات وأجهزة الاستشعار.
لذا، مع معالجة الباحثين للتحديات وتحسين التقنية، يمكن أن يجد FlexRAM أيضًا استخدامه في الإلكترونيات القابلة للزرع، والروبوتات اللينة، وأنظمة واجهة الدماغ-الآلة في المستقبل.
شركات التصنيع الإضافي
#1. Materialise
مقدم خدمات الطباعة ثلاثية الأبعاد المقام في بلجيكا يخدم مجموعة من الصناعات، بما في ذلك السيارات، والفضاء، والرعاية الصحية. خلال الأشهر القليلة الماضية، دخلت Materialise في عدة شراكات، بما في ذلك مع Ricoh USA للترويج لاستخدام نماذج تشريحية مطبوعة ثلاثيًا، ومع Proponent لطباعة حلول مقصورة للطائرات، ومع Nikon SLM Solutions لتطوير معالجات بناء متقدمة، ومع Ansys لتبسيط المحاكاة للطباعة ثلاثية الأبعاد.
(MTLS )
مع رأس مال سوقي قدره 329 مليون دولار، يتم تداول سهم Materialise (MTLS:NASDAQ) عند 5.57 دولار، بانخفاض 15.16٪ منذ بداية العام. سجلت الشركة إيرادات (TTM) بقيمة 272 مليون دولار ولديها ربحية للسهم (TTM) قدرها 0.05 ومضاعف السعر إلى الأرباح (TTM) يبلغ 116.53. أبلغت الشركة عن زيادة بنسبة 3.2٪ في إجمالي إيراداتها إلى 63.6 مليون دولار مقارنة بالعام السابق خلال تقرير أرباح الربع الثالث من عام 2023، بينما ارتفع EBITDA بنسبة 55٪ وزاد صافي الربح بنسبة 184٪ إلى 4.2 مليون دولار.
#2. EOS GmbH
تُعد EOS GmbH الألمانية شركة رائدة في تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد الصناعية وقد أطلقت تقنية FDR التي تمكّن من إنتاج تفاصيل دقيقة دون التضحية بالجودة. في الوقت نفسه، تُلغي تقنية Smart Fusion هياكل الدعم، وتخفض التكلفة، وتقلل استهلاك المواد، وتقلل متطلبات المعالجة اللاحقة. تسمح أنظمتها الجديدة بحل تلقائي كامل يتوسع وفقًا لاحتياجات الإنتاج.
بالإضافة إلى EOS GmbH وMaterialise، يمكن لشركات الطباعة ثلاثية الأبعاد مثل Stratasys، وGE Additive، وDesktop Metal، وFormlabs، وRenishaw أن تساعد في تسويق ذاكرة المعدن السائل. وفي الوقت نفسه، يمكن لشركات مثل Soft Robotics، وShadow Robot Company، وNeuralink، وCTRL-labs، وBrainGate، وApple، وSamsung الاستفادة من هذا النهج الجديد لأنظمة التخزين.
كلمة أخيرة
تعد قدرة ذاكرة المعدن السائل على تحمل أي تشوه تقريبًا وعدًا بمستقبل واعد للأجهزة الإلكترونية، مما يعزز حياتنا. ومع ذلك، لا تزال في مرحلة مبكرة، مع الحاجة إلى مزيد من البحث والعمل قبل أن يتم تسويقها.
هنا، يمكن للتصنيع الإضافي أن يلعب دورًا رئيسيًا من خلال السماح بتصاميم مخصصة وتكامل أفضل لمكونات مختلفة لتحسين الأداء والموثوقية. علاوةً على ذلك، يتيح النمذجة السريعة، مما يمكّن الباحثين والشركات من إجراء تحسينات سريعة مع تقليل النفايات، وتوفير قابلية التوسع والإنتاج حسب الطلب.
انقر هنا لتتعرف على كل شيء حول الاستثمار في أسهم الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع الإضافي).
