Additive Fertigung könnte der Schlüssel zur Kommerzialisierung von „Liquid Metal Ram“ sein

Ein neuer Ansatz für Speichersysteme, der von Forschern der Tsinghua-Universität in China entwickelt wurde, ermöglicht flexiblen Speicher, ohne die Leistung elektronischer Geräte zu beeinträchtigen. Gefördert durch die National Natural Science Foundation of China, die China Postdoctoral Science Foundation und das Shuimu Tsinghua Scholarship Program, diese Forschung stellt „Liquid Metal Memory“ in einer aktuellen Veröffentlichung in „Advanced Materials“ vor.

Speichersysteme sind wichtige Komponenten elektronischer Geräte und müssen angesichts der zunehmenden Weiterentwicklung tragbarer Elektronik, biomedizinischer Geräte und Soft-Robotik deutlich flexibler werden. Diese Datenspeichersysteme müssen extrem dehnbar, biegsam und verdrehbar sein, ohne die Leistung der neuen Geräte zu beeinträchtigen.

Die Entwicklung flexibler Speicher war aufgrund der Einschränkungen herkömmlicher Speichermethoden eine Herausforderung. Die neueste Studie schlägt eine neue Klasse von Speicherprinzipien vor, die von den Polarisations- und Depolarisationsmechanismen des menschlichen Gehirns inspiriert sind.

Durch die Einführung von Oxidations- und Desoxidationsverhalten von flüssige MetalleDas Team entwickelte einen vollständig flexiblen Speicher. Die Forscher nutzten eine reversible elektrochemische Oxidation, um die Leitfähigkeit der flüssigen Metalle zu modulieren und so einen signifikanten Widerstandsunterschied von elf Größenordnungen für die binäre Datenspeicherung zu erzeugen, wie bereits erwähnt.

Um die beste Speicherleistung zu erzielen, wurden systematische Optimierungen mehrerer Parameter durchgeführt. Konzeptionelle Experimente zeigten Gedächtnisstabilität in extremen Verformungsszenarien, einschließlich 360°-Drehung, 180°-Biegung und 100-prozentiger Dehnung. Weitere Tests zeigten eine bessere Leistung bei kleineren Einheitengrößen des Speichers.

Das Team kam zu dem Schluss, dass ihr Speichersystem eine schnelle Speichergeschwindigkeit von über 33 Hz und eine lange Datenspeicherkapazität von mehr als 43200 s bei stabilem, wiederholbarem Betrieb bis zu 3500 Zyklen erreicht. Diese bemerkenswerten Leistungskennzahlen deuten darauf hin, dass die „bahnbrechende Methode“ die angeborenen Starrheitsbeschränkungen bestehender elektronischer Speichereinheiten überwinden und gleichzeitig den Weg für innovative neuromorphe Geräte ebnen kann.

Somit verändert das Flüssigmetallgedächtnis die traditionellen Konzepte des flexiblen Gedächtnisses grundlegend und bietet praktische Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen in bioinspirierten Systemen der künstlichen Intelligenz, Soft-Robotik und tragbarer Elektronik.

Ein unkonventioneller Ansatz: Verwendung eines flüssigen Metalls

Der zunehmende Einsatz flexibler Geräte bedeute, dass die Nachfrage nach den verformbaren Eigenschaften des Gedächtnisses steigen werde, sagte Jing Liu, Professor an der Abteilung für Biomedizintechnik der Tsinghua-Universität in Peking, in einem Interview.

Das flexible Widerstands-RAM-Gerät trägt den Namen FlexRAM und wurde mit einem unkonventionellen Ansatz entwickelt – flüssig. Dieser Flüssigmetall-RAM speichert Informationen in einer Lösungsumgebung, ähnlich wie unser Gehirn, das zu etwa 70 % aus Wasser besteht. 

Durch diesen biomimetischen Ansatz hebt sich FlexRAM von aktuellen, soliden Speichersystemen ab. Der biomimetische Ansatz ähnelt laut Liu „den wässrigen Arbeitsumgebungen in lebenden Organismen“. 

Bisher war die Flexibilität bestehender Speichergeräte begrenzt, da sie normalerweise durch Aufbringen der unflexiblen Speicherkomponenten auf weiche Materialien hergestellt werden. Dadurch sind die Geräte nur teilweise flexibel und führen bei Verformung des Geräts zum Abblättern und Reißen. 

FlexRAM möchte dies ändern, indem es für die Herstellung seines Speichergeräts eine Legierung aus Gallium und Indium als Speicherkomponente verwendet. Flüssige Metalle auf Galliumbasis sind aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, geringer Toxizität und niedriger Viskosität ein attraktives Material mit flüssigem Charakter bei Raumtemperatur.

Inspiriert vom Gehirn durchläuft das Material in einer Lösungsumgebung Oxidation und Reduktion, ähnlich wie unsere Gehirnneuronen. Das Neuron ist polarisiert, wenn die Plasmamembran im Inneren im Vergleich zur Außenseite eine negative Ladung aufweist. Wenn Veränderungen diese Ladung weniger negativ machen, spricht man von Depolarisation.

Darüber hinaus behält das Material bei Raumtemperatur seinen flüssigen Zustand. Dies erleichtert ihre Oxidation und bildet eine dichte Galliumoxidschicht auf der Oberfläche der Flüssigkeit. Diese Schicht aus Galliumoxid entspricht einem Zustand des Speichersystems mit hohem elektrischen Widerstand und einem Zustand mit niedrigem Widerstand von elementarem Gallium, der reduzierten Form der Flüssigkeit. 

Ein hohes Widerstandsverhältnis, der Unterschied zwischen den Widerständen dieser beiden Zustände, ist für die Speicherleistung von entscheidender Bedeutung.

Erreichen einer hohen Integration und Skalierbarkeit

Wenn es um Leistung geht, müssen Speichergeräte viele Eigenschaften aufweisen, darunter Energieeffizienz, schnelle Lese- und Schreibgeschwindigkeiten, hohe Speicherdichte, Datenaufbewahrung, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Das Problem besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen diesen Aspekten zu finden und gleichzeitig die Flexibilität des Geräts zu maximieren.

Um ein Gerät zu entwickeln, das große Verformungen bewältigen kann, verwendete das Forscherteam ein dehnbares Polymer namens Ecoflex als Kapselungsmaterial.

Anschließend nutzte das Team einen 3D-Drucker, um Ecoflex-Formen zu drucken. 3D-Druck oder additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplexer Objekte. Es ermöglicht die Herstellung von Artikeln, die mit herkömmlicher Fertigung nicht wirtschaftlich möglich wären. AM bedeutet im Grunde die Schaffung dreidimensionaler Objekte durch das Einbringen von Materialschichten in einem computererstellten Design.

Aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit 3D Druck hat die Fertigung erstmals der breiten Masse zugänglich gemacht. Mittlerweile ist diese Technik aufgrund ihrer Fähigkeit, Designflexibilität und schnelles Prototyping zu bieten, bei Wissenschaftlern und Forschern beliebt.

Sobald das Gerät hergestellt war, wurden Tröpfchen des flüssigen Metalls auf Galliumbasis in die Formhohlräume gegeben. Um das Auslaufen der Lösung zu verhindern, verwendeten die Forscher auch Tröpfchen der Polyvinylacetat-Hydrogellösung, die aufgrund ihrer Fähigkeit, das Widerstandsverhältnis des Geräts zu erhöhen und seine mechanischen Eigenschaften zu verbessern, separat injiziert wurden.

Die Größe des flüssigen Metalltröpfchens war hier von Bedeutung, da sie das Verhältnis von hohem Widerstandszustand zu niedrigem Widerstandszustand im Gerät erheblich beeinflusst. Eine kleinere Tröpfchengröße führt aufgrund der verstärkten Wirkung des Oberflächenoxidfilms zu einem höheren Verhältnis. Je kleiner also die Tröpfchengröße, „desto empfindlicher ist die Gedächtnisreaktion“.

Liu sagte:

„Die Reduzierung der Tröpfchengröße kommt der Integration und Skalierbarkeit des FlexRAM zugute und macht vollständig flexiblen Speicher mit hoher Dichte zu einer vielversprechenden Option für verschiedene technische Entwicklungen.“ 

Lesen, Schreiben und Speichern von Daten

Wenn es nun um die Datenkodierung geht, erledigt FlexRAM dies durch die Oxidations- und Reduktionsprozesse des flüssigen Metalls. 

Es funktioniert also so, dass das flüssige Metall auf Galliumbasis oxidiert, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Dadurch erhält es einen hochohmigen Zustand von „1“. Beim Umpolen der Spannung gelangt das flüssige Metall wieder in seinen ursprünglichen niederohmigen Zustand „0“. Dieser umkehrbare Schaltvorgang ermöglicht das Speichern und Löschen von Speicher im Gerät.

Um die Lese- und Schreibfähigkeit von FlexRAM zu demonstrieren, integrierten die Forscher das Gerät in ein Software- und Hardware-Setup. Mithilfe von Computerbefehlen schrieb das Team eine Folge von Zahlen und Buchstaben auf ein Array aus acht FlexRAM-Speichereinheiten.

Diese Buchstaben und Zahlen wurden in Form von Nullen und Einsen codiert und entsprachen 0 Byte an Dateninformationen, was weit von der Speicherkapazität für Verbraucher entfernt ist.

Im nächsten Schritt verwendete das Team eine Technik namens Pulsweitenmodulation, die das digitale Signal vom Computer in ein analoges umwandelte. Die Technik ermöglichte es ihnen, die Oxidation und Reduktion des flüssigen Metalls sorgfältig zu kontrollieren.

Anschließend legte das Team beim Auslesen der Informationen eine kurze Testspannung von 1 Volt an, um den Widerstandszustand des Systems zu messen, ohne Änderungen am Redoxzustand des Metalls vorzunehmen. Der Strom wird dann an den Computer übertragen, der das Signal mithilfe eines Algorithmus in 0 oder 1 umwandelt. Abschließend wird die verschlüsselte Nachricht auf einem LED-Bildschirm angezeigt.

Während der Prototyp ein flüchtiger Speicher ist, ermöglicht das Prinzip die Entwicklung des Geräts zu verschiedenen Speicherformen.

Dies lässt sich daran erkennen, dass die im Gerät gespeicherten Daten auch bei ausgeschaltetem Strom bestehen bleiben. Dies könnte bedeuten, dass das Gerät als flexible Speicherform vielversprechend ist und möglicherweise über den RAM hinausgeht. Liu bemerkte:

„FlexRAM könnte in komplette flüssigkeitsbasierte Computersysteme integriert werden und als Logikgerät fungieren.“ 

Darüber hinaus kann der FlexRAM seine Daten bis zu 43,200 Sekunden oder 12 Stunden lang in einer Umgebung mit niedrigem oder keinem Sauerstoffgehalt speichern. Außerdem kann das Gerät immer wieder verwendet werden und behält dabei eine stabile Leistung über mehr als 3500 Zyklen bei. Obwohl dies ein guter Anfang ist, reicht es bei weitem nicht an die Leistung herkömmlicher, aber nicht flexibler Speicher heran, nämlich in Millionenhöhe.

Großes Anwendungspotenzial

Obwohl das Gerät vielversprechende Ergebnisse liefert, entsprechen seine Reaktionszeit und sein Integrationsgrad nicht den kommerziellen Standards. Dies bedeutet, dass in mehreren Bereichen noch Verbesserungsbedarf besteht, unter anderem beim Herstellungsverfahren, bei dem die Materialien derzeit sequenziell eingefüllt werden.

Ziel des Teams ist es, intelligente und automatisierte Fertigungsprozesse sowie 3D-Flugdruck- und Verpackungstechnologie zu nutzen. 

Dennoch ist die Technologie noch sehr jung und es wird Jahre dauern, bis sie vollständig umgesetzt ist. Allerdings ist der Proof-of-Concept ermutigend und dieser neue Ansatz hat das Interesse der Industrie geweckt, da mehrere flüssigkeitsbasierte Konzepte erforscht werden.

Eine dieser Untersuchungen war Leistungsumfang Vor ein paar Jahren wurden zwei neue flüssigkeitsbasierte Speicherkonzepte vorgeschlagen – kolloidaler und elektrolithischer Speicher, die das Potenzial für Nearline-Speicheranwendungen mit extrem hoher Dichte haben.

Inspiriert durch Fortschritte in den Biowissenschaften wurde erneut vorgeschlagen, dass das Speichermedium für die Herstellung einer dichten Anordnung von Zugangsgeräten eine Flüssigkeit ist, die Ionen, Moleküle oder (Nano-)Partikel enthält, die in größeren Volumina zu einem Zugang manipuliert werden können Gerät, das Teil eines dichten Arrays ist.

IMEC, ein F&E- und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, sieht die Einführung von Flüssigspeichern ab 2030 vor. Es wird davon ausgegangen, dass mit diesen Ansätzen die Bitspeicherdichte bei geringeren Prozesskosten pro mm1 in den Bereich von 2 Tbit/mm2 gebracht werden kann. Damit diese Speicherlösungen für Nearline-Anwendungen geeignet sind, muss die Technologie außerdem über eine angemessene Reaktionszeit, Energieverbrauch, Bandbreite (z. B. 20 Gbit/s), Zyklenfestigkeit (103 Lese-/Schreibzyklen) und Speicherfähigkeit verfügen Daten über ein Jahrzehnt.

In einem anderen InstanzBereits im Jahr 2020 gelang es Forschern, Flüssigmetallbatterien aufzuladen. Hier lagen der Salzelektrolyt, die Metallanode und die Kathode alle in flüssiger Form vor. Im Vergleich zu Festkörperbatterien profitieren Flüssigmetallbatterien von der schnellen Ionendiffusion zwischen den Elektroden, was zu schnellen Lade-Entlade-Zyklen führt. 

Darüber hinaus sind die mechanischen Belastungen viel geringer, Membranen und Separatoren sind nicht mehr erforderlich, während die Langzeitstabilität und der Nutzen verbessert werden. Die Untersuchung ergab, dass Flüssigmetallbatterien zwar schwer, aber nicht brennbar sind und sich besser für die Stromspeicherung in großem Maßstab eignen könnten.

Zuletzt Wissenschaftler entdeckt Ein Verbundwerkstoff auf Flüssigmetallbasis, der robuste elektrische und mechanische Verbindungen zwischen weichen Schaltkreisen und starren elektrischen Komponenten ermöglicht. Die Forscher hoffen, dass dieses Material namens E-CASE, ein elektrisch leitfähiger Klebstoff mit Silber und eutektischem Gallium-Indium (EGaIn), eine Rolle in der Elektronik, Robotik und Sensorik spielt.

Wenn sich Forscher also Herausforderungen stellen und die Technologie verfeinern, kann FlexRAM in Zukunft auch in implantierbarer Elektronik, Soft-Robotik und Gehirn-Maschine-Schnittstellensystemen Verwendung finden.

Unternehmen der additiven Fertigung 

# 1. Materialisieren

Der in Belgien ansässige 3D-Druckdienstleister bedient eine Reihe von Branchen, darunter Automobil, Luft- und Raumfahrt und Gesundheitswesen. In den letzten Monaten ist Materialise mehrere Partnerschaften eingegangen, unter anderem mit Ricoh USA zur Förderung der Verwendung von 3D-gedruckten anatomischen Modellen, mit Proponent für den 3D-Druck von Kabinenlösungen für Flugzeuge, mit Nikon SLM Solutions zur Entwicklung fortschrittlicher Build-Prozessoren und mit Ansys um die Simulation für den 3D-Druck zu vereinfachen.

Mit einer Marktkapitalisierung von 329 Millionen US-Dollar wurde die Aktie von Materialise (MTLS:NASDAQ) bei 5.57 US-Dollar gehandelt, was einem Rückgang von 15.16 % seit Jahresbeginn entspricht. Das Unternehmen erzielte einen Umsatz (TTM) von 272 Mio. US-Dollar und hat einen Gewinn je Aktie (TTM) von 0.05 und ein KGV (TTM) von 116.53. Das Unternehmen meldete in seinem Gewinnbericht für das dritte Quartal 3.2 einen Anstieg seines Gesamtumsatzes um 63.6 % auf 3 Mio. US-Dollar gegenüber dem Vorjahr, während sein EBITDA um 23 % anstieg und der Nettogewinn um 55 % auf 184 Mio. US-Dollar stieg.

# 2. EOS GmbH

Die EOS GmbH mit Sitz in Deutschland ist ein führender Hersteller industrieller 3D-Drucker und hat eine FDR-Technologie auf den Markt gebracht, die die Produktion feiner Details ohne Qualitätseinbußen ermöglicht. Die Smart Fusion-Technologie des Unternehmens macht Stützstrukturen überflüssig, senkt die Kosten, minimiert den Materialverbrauch und reduziert den Nachbearbeitungsaufwand. Die neuen Systeme ermöglichen zudem eine vollautomatische Lösung, die sich an die Produktionsanforderungen anpasst. 

Neben EOS GmbH und Materialise können 3D-Druckunternehmen wie Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs und Renishaw bei der Kommerzialisierung von Liquid Metal Ram helfen. Mittlerweile können Unternehmen wie Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple und Samsung von diesem neuen Ansatz für Speichersysteme profitieren.

Final Word

Die Fähigkeit von Liquid Metal Ram, nahezu jeder Verformung standzuhalten, verspricht eine großartige Zukunft für elektronische Geräte, die unser Leben weiter bereichern werden. Allerdings befinden sie sich noch in einem frühen Stadium, und es bedarf noch weiterer Forschung und Arbeit, bevor sie kommerzialisiert werden können. 

Hier kann die additive Fertigung eine Schlüsselrolle spielen, indem sie maßgeschneiderte Designs und eine bessere Integration verschiedener Komponenten für mehr Leistung und Zuverlässigkeit ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht es ein schnelles Prototyping, das es Forschern und Unternehmen ermöglicht, schnelle Verbesserungen vorzunehmen und gleichzeitig Abfall zu reduzieren, sowie Skalierbarkeit und bedarfsgerechte Produktion zu bieten.

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