Additiv fremstilling kan være nøglen til kommercialisering af ‘Liquid Metal Ram’

En ny tilgang til lagringssystemer, udført af forskere fra Tsinghua University i Kina, muliggør fleksibel hukommelse uden at gå på kompromis med ydeevnen af elektroniske enheder. Finansieret af National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation og Shuimu Tsinghua Scholarship Program, denne forskning introducerer “Liquid Metal Memory” i en nylig publikation i “Advanced Materials”.

Lagringssystemer, som er vitale komponenter i elektroniske enheder, skal blive langt mere fleksible, efterhånden som verden ser flere avancerede bærbare elektronik, biomedicinske enheder og blød robotik. Disse datalagringssystemer skal strække, bøje og dreje til ekstreme grader uden at påvirke de nye enheders ydeevne.

At opnå fleksibel hukommelse har været udfordrende på grund af begrænsningerne i konventionelle lagringsmetoder. Den seneste undersøgelse foreslår en ny klasse af lagringsprincipper inspireret af hjernens polariserings- og depolariseringsmekanismer.

Ved at introducere oxidations- og deoxideringsadfærd af flydende metaller opnåede teamet fuldt fleksibel hukommelse. Forskerne anvendte reversibel elektro-kemisk oxidation til at modulere de målrettede flydende metaller samlede ledningsevne, hvilket skabte en betydelig 11-ordens modstandsforskel for binær datalagring, som bemærket.

For at opnå den bedste lagringsydelse blev systematiske optimeringer af flere parametre gennemført. Konceptuelle eksperimenter viste hukommelsesstabilitet i ekstreme deformationsscenarier, herunder 360° vridning, 180° bøjning og 100 % udstrækning. Yderligere tests demonstrerede bedre ydeevne med mindre enhedsstørrelser af hukommelsen.

Teamet konkluderede, at deres lagringssystem opnår en hurtig lagringshastighed på over 33 Hz og en lang datalagringskapacitet på mere end 43 200 s, med stabil, gentagelig drift op til 3 500 cyklusser. Disse bemærkelsesværdige præstationsmålinger indikerer, at den “banebrydende metode” kan overvinde de iboende stivhedsbegrænsninger i eksisterende elektroniske lagringsenheder, mens den baner vejen for innovative neuromorfe enheder.

Dermed ændrer flydende metalhukommelse grundlæggende traditionelle koncepter for fleksibel hukommelse og tilbyder praktiske veje for fremtidige anvendelser i bio‑inspirerede kunstige intelligenssystemer, blød robotik og bærbar elektronik.

En utraditionel tilgang: Brug af et flydende metal

Den stigende brug af fleksible enheder betyder, at efterspørgslen efter de deformérbare egenskaber ved hukommelse vil vokse, sagde Jing Liu, professor i afdelingen for biomedicinsk ingeniørvidenskab ved Tsinghua University i Beijing, i et interview.

Den fleksible resistive RAM-enhed kaldes FlexRAM og er udviklet med en utraditionel tilgang — flydende. Denne flydende metal‑RAM gemmer information i et opløsningsmiljø, meget ligesom vores hjerne, som er omkring 70 % vand.

Ved at anvende denne biomimetiske tilgang adskiller FlexRAM sig fra nuværende hukommelsessystemer, som er faste. Den biomimetiske tilgang, ifølge Liu, svarer til “de vandige arbejdsmiljøer, der findes i levende organismer”.

Indtil videre har fleksibiliteten i eksisterende hukommelsesenheder været begrænset, fordi de typisk fremstilles ved at lægge de ufleksible hukommelseskomponenter på bløde materialer. Dette gør enhederne kun delvist fleksible og fører til afskalning og revner, når enheden deformeres.

FlexRAM sigter mod at ændre dette ved at bruge en legering bestående af gallium og indium som hukommelseskomponent til at fremstille deres lagringsenhed. Gallium‑baserede flydende metaller er et attraktivt materiale på grund af deres fremragende egenskaber, såsom høj elektrisk og termisk ledningsevne, lav toksicitet og lav viskositet med en flydende karakter ved stuetemperatur.

Inspireret af hjernen gennemgår materialet oxidation og reduktion i et opløsningsmiljø, meget ligesom vores hjerne‑neuroner. Neuronen er polariseret, når plasmamembranen indeni har en negativ ladning i forhold til ydersiden, og når ændringer gør den mindre negativ, er det depolarisering.

Derudover bevarer materialet sin flydende tilstand ved stuetemperatur. Dette muliggør deres oxidation for at danne et tæt galliumoxidlag på overfladen af den flydende. Dette lag af galliumoxid svarer til en høj elektrisk modstandstilstand i lagringssystemet og en lav‑modstandstilstand af elementært gallium, den reducerede form af den flydende.

Et højt modstandsforhold, forskellen mellem modstanden i disse to tilstande, er essentielt for hukommelseslagringsydelsen.

Opnå høj integration og skalerbarhed

Når det gælder ydeevne, skal hukommelseslagringsenheder have mange egenskaber, herunder energieffektivitet, hurtige læse‑ og skrivetider, høj lagringstæthed, datalagring, holdbarhed og pålidelighed. Problemet opstår i at finde en balance mellem disse aspekter, mens fleksibiliteten af enheden maksimeres.

Så for at udvikle en enhed, der kan håndtere høje niveauer af deformation, brugte forskerteamet en strækbar polymer kaldet Ecoflex som indkapslingsmateriale.

Derefter anvendte teamet en 3D‑printer til at printe Ecoflex‑forme. 3D‑printning eller additiv fremstilling muliggør produktion af komplekse objekter. Det tillader fremstilling af produkter, der økonomisk set ikke var mulige med traditionel fremstilling. AM betyder grundlæggende at skabe tredimensionale objekter ved at lægge lag af materiale i et computer‑genereret design.

På grund af sin omkostningseffektivitet har 3D‑printning gjort fremstilling tilgængelig for masserne for første gang. Samtidig gør dens evne til at tilbyde designfleksibilitet og hurtig prototyping denne teknik populær blandt videnskabsfolk og forskere.

Så, da enheden var skabt, blev dråber af den gallium‑baserede flydende metal placeret i formens hulrum. For at forhindre lækage af opløsningen brugte forskerne også dråber af polyvinylacetat‑hydrogel‑opløsning, som blev injiceret separat på grund af dens evne til at øge modstandsforholdet i enheden og forbedre dens mekaniske egenskaber.

Størrelsen af den flydende metal‑dråbe var betydningsfuld, da den i høj grad påvirker forholdet mellem høj‑modstandstilstand og lav‑modstandstilstand i enheden. En mindre dråbestørrelse fører til et øget forhold på grund af den forstærkede påvirkning af overfladeoxidfilmen. Så jo mindre dråben er, “jo mere følsom er hukommelsesresponsen”.

Liu sagde:

“At reducere dråbestørrelsen gavner integrationen og skalerbarheden af FlexRAM, hvilket gør fuldt fleksibel, høj‑tæthedshukommelse til et lovende alternativ for forskellige ingeniørudviklinger.”

Læsning, skrivning og lagring af data

Nu, når det gælder kodning af data, gør FlexRAM det gennem oxidations‑ og reduktionsprocesserne af det flydende metal.

Sådan fungerer det: Det gallium‑baserede flydende metal oxideres, når en lav spænding påføres. Dette giver det en høj‑modstandstilstand “1”. Ved at vende spændingspolariteterne vender det flydende metal tilbage til sin oprindelige lav‑modstandstilstand “0”. Denne reversible skifteproces tillader hukommelse at blive gemt og slettet i enheden.

For at demonstrere FlexRAM’s læse‑ og skriveevne integrerede forskerne enheden i et software‑ og hardware‑setup. Ved hjælp af computer‑kommandoer skrev teamet en række tal og bogstaver på et array af otte FlexRAM‑lagringsenheder.

Disse bogstaver og tal blev kodet i form af 0’er og 1’er og svarede til 1 byte af datainformation, hvilket er langt fra forbruger‑klassens hukommelseskapacitet.

I næste trin brugte teamet en teknik kaldet puls‑bredde‑modulation, som konverterede det digitale signal fra computeren til et analogt. Teknikken tillod dem omhyggeligt at kontrollere oxidation og reduktion af det flydende metal.

Derefter påførte teamet en kort 1‑volt testspænding under informationslæsning for at måle modstandstilstanden i systemet uden at ændre metalets redox‑tilstand. Strømmen overføres derefter til computeren, som konverterer signalet til 0 eller 1 ved hjælp af en algoritme. Endelig vises den kodede besked på en LED‑skærm.

Selvom prototypen er en flygtig hukommelse, tillader princippet udvikling af enheden til forskellige former for hukommelse.

Dette kan ses i observationen, at de lagrede data i enheden fortsætter, selv når strømmen slukkes. Dette kan betyde, at enheden har potentiale som en form for fleksibel lagring og måske ud over RAM. Liu bemærkede:

“FlexRAM kunne indarbejdes i hele flydende‑baserede computersystemer og fungere som en logisk enhed.”

FlexRAM kan yderligere bevare sine data i op til 43 200 sekunder eller 12 timer i et lav‑ eller iltfrit miljø. Desuden kan enheden bruges igen og igen, mens den opretholder stabil ydeevne i mere end 3 500 cyklusser. Selvom det er et godt startpunkt, er det langt fra, hvad traditionel, men ikke‑fleksibel hukommelse kan, som ligger i millioner.

Stort anvendelsespotentiale

Selvom enheden har demonstreret lovende ydeevne, er dens responstid og integrationsniveau ikke på kommercielle standarder. Det betyder, at der stadig er behov for forbedringer på flere fronter, herunder fremstillingsproceduren, som i øjeblikket indebærer sekventiel påfyldning af materialerne.

Teamet sigter mod at anvende intelligente og automatiserede fremstillingsprocesser sammen med 3D‑luftbåren printning og emballeringsteknologi.

Allerede er teknologien meget ung og vil tage år at blive fuldt realiseret. Det sagt, er proof‑of‑concept opmuntrende, og denne nye tilgang har tiltrukket sig interesse fra industrien med flere flydende‑baserede koncepter under udforskning.

En sådan forskning blev demonstreret for et par år siden, da to nye flydende‑baserede lagringskoncepter blev foreslået — kolloidial og elektrolithisk hukommelse, som har potentiale for ekstremt høj‑tæthed nær‑linjelagringsapplikationer.

Igen, ved at tage inspiration fra fremskridt inden for livsvidenskab, blev lagringsmediet til at lave et tæt array af adgangsenheder foreslået som en væske indeholdende ioner, molekyler eller (nano‑)partikler, som kan manipuleres i større volumener til en adgangsenhed, der er en del af et tæt array.

IMEC, et R&D‑ og innovationscenter inden for nanoelektronik og digitale teknologier, forudser introduktionen af flydende hukommelse fra 2030 og frem. Det forventer, at med disse tilgange kan bit‑lagringstætheden skubbes mod 1 Tbit/mm²‑området til en lavere procesomkostning pr. mm². Det bemærkede også, at for at disse lagringsløsninger skal være levedygtige for nær‑linje‑applikationer, skal teknologien have tilstrækkelig responstid, energiforbrug, båndbredde (f.eks. 20 Gb/s), cyklusstabilitet (10³ læse/skriv‑cyklusser) og evnen til at bevare data i et årti.

I et andet eksempel, tilbage i 2020, fik forskere en ladning ud af flydende metal‑batterier. Her var salt‑elektrolytten, metal‑anoden og katoden alle i flydende form. Sammenlignet med fast‑state‑batterier drager flydende metal‑batterier fordel af den hurtige diffusion af ioner mellem elektroder, hvilket betyder hurtige lad‑/aflad‑cyklusser.

Desuden er mekaniske belastninger meget mindre, og det fjerner behovet for membraner og separatore, mens det forbedrer lang‑sigtet stabilitet og anvendelighed. Undersøgelsen fastslog, at flydende metal‑batterier, selvom de er tunge, er ikke‑brandfarlige og kan være mere egnede til storskalig el‑lagring.

For nylig opdagede videnskabsfolk opdagede et flydende metal‑baseret komposit, der muliggør robuste elektriske og mekaniske forbindelser mellem blød kredsløb og stive elektriske komponenter. Forskerne håber, at dette materiale, kaldet E‑CASE, som er en elektrisk ledende klæbemasse med sølv og eutektisk gallium‑indium (EGaIn), kan spille en rolle i elektronik, robotik og sensorer.

Så, efterhånden som forskerne tackler udfordringer og forfiner teknologien, kan FlexRAM også finde anvendelse i implanterbar elektronik, blød robotik og hjerne‑maskine‑grænsefladesystemer i fremtiden.

Additiv fremstillingsvirksomheder 

#1. Materialise

Den belgisk‑baserede 3D‑print‑tjenesteudbyder betjener en række industrier, herunder bil, luftfart og sundhedspleje. I løbet af de sidste par måneder har Materialise indgået flere partnerskaber, herunder med Ricoh USA for at fremme brugen af 3D‑printede anatomiske modeller, med Proponent for at 3D‑print kabine‑løsninger til fly, Nikon SLM Solutions for at udvikle avancerede Build Processors, og med Ansys for at forenkle simulering for 3D‑print.

Med en markedsværdi på $329 millioner har Materialise‑aktien (MTLS:NASDAQ) handlet til $5,57, ned 15,16 % YTD. Virksomheden rapporterede en omsætning (TTM) på $272 mln og har en EPS (TTM) på 0,05 samt en P/E (TTM) på 116,53. Virksomheden rapporterede en 3,2 % stigning i den samlede omsætning til $63,6 mln fra året før under 3Q23‑resultatrapporten, mens EBITDA steg 55 % og nettoresultatet steg med 184 % til $4,2 millioner.

#2. EOS GmbH

Den tysk‑baserede EOS GmbH er en førende industriel 3D‑print‑producent, der har lanceret en FDR‑teknologi, som muliggør produktion af fine detaljer uden at gå på kompromis med kvaliteten. Samtidig eliminerer virksomhedens Smart Fusion understøttelsesstrukturer, sænker omkostningerne, minimerer materialeforbruget og reducerer efterbehandlingskravene. De nye systemer muliggør desuden en fuldt automatiseret løsning, der skalerer i takt med produktionsbehovene.

Udover EOS GmbH og Materialise kan 3D‑print‑virksomheder som Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs og Renishaw hjælpe med at kommercialisere Liquid Metal Ram. Samtidig kan virksomheder som Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple og Samsung drage fordel af denne nye tilgang til lagringssystemer.

Afsluttende ord

Liquid Metal Ram’s evne til at modstå næsten enhver deformation lover en stor fremtid for elektroniske enheder og beriger vores liv yderligere. De er dog stadig i en tidlig fase, og der er behov for mere forskning og arbejde, før de kan kommercialiseres.

Her kan additiv fremstilling spille en nøglerolle ved at muliggøre tilpassede designs og bedre integration af forskellige komponenter for forbedret ydeevne og pålidelighed. Desuden muliggør den hurtig prototyping, så forskere og virksomheder kan foretage hurtige forbedringer, mens affald reduceres, og der tilbydes skalerbarhed og on‑demand produktion.

Klik her for at lære alt om investering i 3D‑printningsaktier (additiv fremstilling).