Additiv Produktion kan være nøglen til at gøre ‘Flydende Metal Ram’ kommerciel

En ny tilgang til lagringssystemer, opnået af forskere fra Tsinghua University i Kina, muliggør fleksibel hukommelse uden at gå på kompromis med ydelsen af elektroniske enheder. Finansieret af National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation og Shuimu Tsinghua Scholarship Program, dette forskning introducerer “Flydende Metal Hukommelse” i en seneste publikation i “Advanced Materials.”

Lagringssystemer, der er vitalt for elektroniske enheder, skal blive langt mere fleksible, da verden ser mere avancerede bærbare elektronik, biomedicinske enheder og bløde robotter. Disse lagringssystemer skal strækkes, bøjes og vrides til ekstreme uden at påvirke ydelsen af de fremvoksende enheders ydelse.

At opnå fleksibel hukommelse har været udfordrende på grund af begrænsningerne i konventionelle lagringsmetoder. Den seneste studie foreslår en ny klasse af lagringsprincipper inspireret af hjernens polarisering og depolarisering mekanismer.

Ved at introducere oxidation og deoxidation af flydende metaller, opnåede holdet fuldt fleksibel hukommelse. Forskerne anvendte reversibel elektrokemisk oxidation til at modulere den samlede ledningsevne af mål-flydende metaller, og skabte en betydelig 11-orden resistansforskel for binær data lagring, som noteret.

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

Holdet konkluderede, at deres lagringssystem opnår en hurtig lagringshastighed på over 33 Hz og en lang data retention kapacitet på mere end 43200 s, med stabil, gentagen drift op til 3500 cykler. Disse bemærkelsesværdige ydelsesmål indikerer, at “banebrydende metode” kan overvinde de indre stivhed begrænsninger i eksisterende elektroniske lagringsenheder, samtidig med at den baner vejen for innovative neuromorfiske enheder.

Derfor ændrer flydende metal hukommelse grundlæggende traditionelle begreber om fleksibel hukommelse og tilbyder praktiske vej til fremtidige anvendelser i bio-inspirerede kunstig intelligens systemer, bløde robotter og bærbare elektronik.

En ukonventionel tilgang: Brug af flydende metal

Den øgede brug af fleksible enheder betyder, at efterspørgslen på deformerbare egenskaber af hukommelse vil være voksende, sagde Jing Liu, en professor i afdelingen for biomedicinsk ingeniørvidenskab på Tsinghua University i Beijing, i et interview.

Den fleksible resistive RAM-enhed kaldes FlexRAM og er udviklet med en ukonventionel tilgang — flydende metal. Denne flydende metal RAM lagrer information i en opløsningsmiljø, ligesom vores hjerne gør, som er omkring 70% vand.

Ved at tage denne biomimetiske tilgang, adskiller FlexRAM sig fra nuværende hukommelsessystemer, som er faste. Den biomimetiske tilgang, ifølge Liu, er lignende “de vandige arbejdsmiljøer, der findes inden for levende organismer.”

Indtil nu har fleksibiliteten af eksisterende hukommelsesenheder været begrænset, fordi de normalt er skabt ved at lægge de uflexible hukommelseskomponenter på bløde materialer. Dette gør enhederne kun delvist fleksible og fører til afskalning og revner, når enheden deformerer.

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

Inspiceret af hjernen, gennemgår materialet oxidation og reduktion i en opløsningsmiljø, ligesom vores hjerneceller. Neuronen er polariseret, når den indre plasma membran har en negativ ladning i forhold til ydersiden, og når nogen ændringer gør den mindre negativ, er det depolarisering.

Derudover opretholder materialet sin flydende tilstand ved stuetemperatur. Dette faciliterer deres oxidation for at danne en tæt galliumoxid lag på overfladen af den flydende. Denne lag af galliumoxid svarer til en høj elektrisk modstands tilstand af lagringssystemet og en lav modstand tilstand af grundstof gallium, den reducerede form af den flydende.

En høj modstandsforhold, forskellen mellem modstanden af disse to tilstande, er afgørende for hukommelseslagringsydelse.

Opnåelse af høj integration og skalerbarhed

Når det kommer til ydelse, skal hukommelseslagringsenheder have mange egenskaber, herunder energoeffektivitet, hurtig læse- og skrivehastighed, høj lagringsdensitet, data retention, holdbarhed og pålidelighed. Problemet kommer i at finde en balance mellem disse aspekter, samtidig med at man maksimerer fleksibiliteten af enheden.

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

Derefter anvendte holdet en 3D-printer til at printe Ecoflex-former. 3D-printning eller additiv produktion muliggør produktionen af komplekse objekter. Det tillader produktionen af varer, der ikke var mulige økonomisk med traditionel produktion. AM betyder grundlæggende at skabe tredimensionale objekter ved at lægge lag af materiale i en computerdesignet design.

På grund af sin kosteffektivitet har 3D-printning gjort produktion tilgængelig for masserne for første gang. Samtidig gør dens evne til at tilbyde designfleksibilitet og hurtig prototypering denne teknik populær blandt videnskabsmænd og forskere.

Så når enheden var skabt, blev dråber af gallium-baseret flydende metal sat i formhullerne. For at forhindre opløsningens lækkage anvendte forskerne også dråber af polyvinylacetat hydrogelsolution, der blev injiceret separat på grund af dens evne til at øge modstandsforholdet af enheden og forbedre dens mekaniske egenskaber.

Størrelsen af den flydende metaldråbe var af betydning her, da den væsentligt påvirker forholdet mellem høj modstandstilstand og lav modstandstilstand i enheden. En mindre dråbestørrelse fører til et forøget forhold på grund af den forstærkede effekt af overfladeoxiden. Så jo mindre størrelsen af dråben, “jo mere følsomt er hukommelsessvaret”.

Liu sagde:

“At reducere dråbestørrelsen er til fordel for integrationen og skalerbarheden af FlexRAM, og gør fuldt fleksibel, højtdensitets hukommelse til en lovende mulighed for diverse ingeniørudviklinger.”

Læsning, skrivning og lagring af data

Nu, når det kommer til at kode data, gør FlexRAM det gennem oxidation og reduktionsprocesser af den flydende metal.

Sådan fungerer det, at gallium-baseret flydende metal oxideres, når en lav spænding anvendes. Dette giver det en høj modstandstilstand af “1”. Ved at omvende spændingspolariteten, får den flydende metal tilbage sin oprindelige lav modstandstilstand af “0”. Denne omvendte skiftende proces tillader hukommelse at blive lagret og slettet i enheden.

For at demonstrere FlexRAMs læse- og skriveevne, integrerede forskerne enheden i en software- og hardwareopsætning. Ved at anvende computerkommandoer, skrev holdet en række af tal og bogstaver på en række af otte FlexRAM-lagringsenheder.

Disse bogstaver og tal blev kodet i form af 0’er og 1’er og svarer til 1 byte af datainformation, som er langt fra forbrugergrads hukommelseskapacitet.

I næste skridt anvendte holdet en teknik kaldet pulsbreddemodulation, der konverterede den digitale signal fra computeren til en analog. Teknikken tillod dem at kontrollere oxidation og reduktion af den flydende metal nøje.

Derefter anvendte holdet en kort 1-volt testspænding under informationslæsning for at måle modstandstilstanden af systemet uden at ændre redox-tilstanden af metallet. Strømmen overføres herefter til computeren, der konverterer signalet til 0 eller 1 ved hjælp af en algoritme. Til sidst vises den kodede besked på en LED-skærm.

Selvom prototypen er en flygtig hukommelse, tillader principperne udviklingen af enheden i forskellige former for hukommelse.

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

“FlexRAM kunne inkorporeres i hele flydende-baserede computersystemer, fungerende som en logikenhed.”

FlexRAM kan yderligere fastholde sine data i op til 43.200 sekunder eller 12 timer i et lavt eller ingenting oxygen-miljø. Og enheden kan anvendes igen og igen, mens den opretholder en stabil ydelse i mere end 3500 cykler. Selvom det er et godt startpunkt, er det langt fra, hvad traditionel, men ikke-fleksibel hukommelse er i stand til, som er i millioner.

Uendelig ansøgningspotentiale

Selvom enheden har demonstreret lovende ydelse, er dens responstid og niveau af integration ikke op til kommercielle standarder. Dette betyder, at der stadig er behov for forbedringer på flere fronter, herunder fremstillingsproceduren, som i øjeblikket indebærer påfylling af materialer i sekvens.

Holdet sigter mod at anvende intelligente og automatiserede fremstillingsprocesser sammen med 3D luftbåren trykning og pakningsteknologi.

Alligevel er teknologien meget ung og vil tage år at blive fuldt realiseret. Men beviset for begrebet er opmuntrende, og denne nye tilgang har tiltrukket interesse fra industrien med flere flydende-baserede koncepter, der undersøges.

Et sådant forskning var demonstreret for et par år siden, da to nye flydende-baserede lagringskoncepter blev foreslået — koloid og elektrolitisk hukommelse, som har potentialet for ekstremt højtdensitets nærlinje-lagring.

Igen, ved at tage inspiration fra fremskridt i livsvidenskab, blev lagringsmediet til at skabe en tæt mængde af adgangs enheder foreslået at være en flydende, der indeholder ioner, molekyler eller (nano-)partikler, som kan manipuleres i større volumener til en adgangs enhed, der er en del af en tæt mængde.

IMEC, en R&D- og innovationshub i nanoelektronik og digitale teknologier, forudser introduktionen af flydende hukommelse fra 2030 og frem. Det forventer, at med disse tilgange kan bit-lagringsdensiteten presses mod 1Tbit/mm2-området ved en lavere procesomkostning pr. mm2. Det bemærkede også, at for disse lagringsløsninger at være viable til nærlinjeapplikationer, skal teknologien have en passende responstid, energiforbrug, båndbredde (f.eks. 20Gb/s), cyklus holdbarhed (10^3 læse/skrivecykler) og evnen til at fastholde data i mere end en årti.

I et andet tilfælde, for nogle år siden, fik forskere en opladning ud af flydende metal-batterier. Her var salt-elektrolytten, metalanoden og katoden alle i flydende form. I forhold til faststof-batterier har flydende metal-batterier fordel af den hurtige diffusion af ioner mellem elektroder, hvilket betyder hurtige opladnings- og afladningscykler.

Desuden er mekaniske belastninger meget mindre, og det fjerner behovet for membraner og separatorer, samtidig med at det forbedrer langtidsstabilitet og nytte. Forskningen fastslog, at flydende metal-batterier, selvom de er tunge, er ikke-brændbare og kunne være mere egnet til stor skala elektrisk lagring.

For nylig opdagede videnskabsmænd en flydende metal-baseret komposit, der muliggør robuste elektriske og mekaniske forbindelser mellem bløde kredsløb og faste elektriske komponenter. Forskerne håber, at dette materiale, kaldet E-CASE, der er en elektrisk ledende lim med sølv og eutektisk gallium-indium (EGaIn), kan spille en rolle i elektronik, robotteknik og sensorer.

Så da forskerne adresserer udfordringer og forfiner teknologien, kan FlexRAM også finde sin anvendelse i implantable elektronik, bløde robotter og hjernemaskine-grænseflade-systemer i fremtiden.

Additiv produktion selskaber

#1. Materialise

Det belgisk-baserede 3D-printningstjenesteudbyder tjener en række industrier, herunder bil, luftfart og sundhedspleje. Over de seneste par måneder er Materialise indgået i flere partnerskaber, herunder med Ricoh USA for at fremme brugen af 3D-udskrevne anatomiske modeller, med Proponent til at 3D-printe kabine-løsninger til fly, Nikon SLM Solutions til at udvikle avancerede Build Processors, og med Ansys til at simplificere simulation for 3D-printning.

Med en markedsværdi på 329 millioner dollars, har aktien i Materialise (MTLS:NASDAQ) handlet til 5,57 dollars, ned 15,16% i år. Selskabet havde en omsætning (TTM) på 272 millioner dollars og havde en EPS (TTM) på 0,05 og en P/E (TTM) på 116,53. Selskabet rapporterede en 3,2% stigning i deres samlede omsætning til 63,6 millioner dollars fra sidste år under deres 3Q23-æregnskabsrapport, mens deres EBITDA så en 55% stigning og nettofortjeneste steg med 184% til 4,2 millioner dollars.

#2. EOS GmbH

Tyskland-baserede EOS GmbH er en førende industriel 3D-printningsfabrikant, der har lanceret en FDR-teknologi, der muliggør produktionen af fine detaljer uden at gå på kompromis med kvaliteten. Samtidig eliminerer selskabets Smart Fusion understøtningstrukturen, reducerer omkostningerne, minimerer materialeforbruget og reducerer efterbehandlingskravene. Deres nye systemer tillader en fuldt automatiseret løsning, der skalerer i linje med produktionens behov.

Ud over EOS GmbH og Materialise kan 3D-printningsselskaber som Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs og Renishaw hjælpe med at gøre Liquid Metal Ram kommerciel. Samtidig kan selskaber som Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple og Samsung have gavn af denne nye tilgang til lagringssystemer.

Sidste ord

Liquid Metal Rams evne til at modstå næsten enhver deformation lover en stor fremtid for elektroniske enheder, og beriger yderligere vores liv. Men de er stadig i en tidlig fase, og der er mere forskning og arbejde nødvendigt, før de kan blive kommercielle.

Her kan additiv produktion spille en nøglerolle ved at tillade brugerdefinerede designs og bedre integration af forskellige komponenter for forbedret ydelse og pålidelighed. Desuden tillader det hurtig prototypering, der giver forskere og selskaber mulighed for at lave hurtige forbedringer, mens de reducerer affald, og tilbyder skalerbarhed og påkrævet produktion.

Klik her for at lære alt om investering i 3D-printning aktier (additiv produktion).