Additive Fertigung könnte Schlüssel zur Kommerzialisierung des ‘Liquid Metal Ram’ sein

Ein neuer Ansatz für Speichersysteme, entwickelt von Forschern der Tsinghua-Universität in China, ermöglicht flexiblen Speicher, ohne die Leistung elektronischer Geräte zu beeinträchtigen. Gefördert von der National Natural Science Foundation of China, der China Postdoctoral Science Foundation und dem Shuimu Tsinghua Scholarship Program, diese Forschung führt „Liquid Metal Memory“ in einer kürzlich veröffentlichten Ausgabe von „Advanced Materials“ ein.

Speichersysteme, die wesentliche Komponenten elektronischer Geräte sind, müssen deutlich flexibler werden, da die Welt immer mehr fortschrittliche tragbare Elektronik, biomedizinische Geräte und weiche Robotik sieht. Diese Datenspeichersysteme müssen sich extrem dehnen, biegen und verdrehen, ohne die Leistung der aufkommenden Geräte zu beeinträchtigen.

Die Erreichung flexiblen Speichers war aufgrund der Beschränkungen konventioneller Speicher‑methoden eine Herausforderung. Die neueste Studie schlägt eine neuartige Klasse von Speicherprinzipien vor, die von den Polarisation‑ und Depolarisationsmechanismen des menschlichen Gehirns inspiriert sind.

Durch die Einführung von Oxidations‑ und Reduktionsverhalten von flüssigen Metallen erzielte das Team vollständig flexiblen Speicher. Die Forscher nutzten reversible elektrochemische Oxidation, um die Gesamtkonduktivität der Ziel‑flüssigmetalle zu modulieren, wodurch ein signifikanter Widerstands‑unterschied von 11 Größenordnungen für die binäre Datenspeicherung geschaffen wurde, wie angegeben.

Um die beste Speicherleistung zu erzielen, wurden systematische Optimierungen mehrerer Parameter durchgeführt. Konzeptuelle Experimente zeigten Speicherstabilität in extremen Verformungsszenarien, einschließlich 360°‑Drehung, 180°‑Biegung und 100%iger Streckung. Weitere Tests zeigten eine bessere Leistung bei kleineren Einheitengrößen des Speichers.

Das Team kam zu dem Schluss, dass ihr Speichersystem eine schnelle Speicher‑geschwindigkeit von über 33 Hz und eine lange Daten‑Retention von mehr als 43 200 s erreicht, mit stabilem, wiederholbarem Betrieb bis zu 3 500 Zyklen. Diese bemerkenswerten Leistungskennzahlen zeigen, dass die „bahnbrechende Methode“ die inhärenten Steifigkeits‑Beschränkungen bestehender elektronischer Speichereinheiten überwinden kann, während sie den Weg für innovative neuromorphe Geräte ebnet.

Damit verändert das Flüssigmetall‑Gedächtnis grundlegend traditionelle Konzepte flexiblen Speichers und bietet praktische Wege für zukünftige Anwendungen in bio‑inspirierten künstlichen Intelligenzsystemen, weicher Robotik und tragbarer Elektronik.

Ein unkonventioneller Ansatz: Verwendung eines flüssigen Metalls

Der zunehmende Einsatz flexibler Geräte bedeutet, dass die Nachfrage nach dehnbaren Eigenschaften von Speicher steigen wird, sagte Jing Liu, Professor der Abteilung für Biomedizinische Technik an der Tsinghua-Universität in Peking, in einem Interview.

Das flexible resistive RAM‑Gerät trägt den Namen FlexRAM und wurde mit einem unkonventionellen Ansatz – Flüssigkeit – entwickelt. Dieser flüssige Metall‑RAM speichert Informationen in einer Lösung, ähnlich wie unser Gehirn, das zu etwa 70 % aus Wasser besteht.

Durch diesen biomimetischen Ansatz unterscheidet sich FlexRAM von aktuellen Speichersystemen, die fest sind. Der biomimetische Ansatz, so Liu, ähnelt den „wässrigen Arbeitsumgebungen, die in lebenden Organismen vorkommen“.

Bisher war die Flexibilität bestehender Speichergeräte begrenzt, weil sie meist durch Aufbringen unflexibler Speicherelemente auf weiche Materialien hergestellt werden. Das macht die Geräte nur teilweise flexibel und führt zu Ablösungen und Rissen, wenn das Gerät verformt wird.

FlexRAM will dies ändern, indem es eine Legierung aus Gallium und Indium als Speicherelement verwendet, um ihr Speichengerät zu fertigen. Gallium‑basierte Flüssigmetalle sind ein attraktives Material wegen ihrer hervorragenden Eigenschaften, wie hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit, geringer Toxizität und niedriger Viskosität mit fluidischer Natur bei Raumtemperatur.

Inspiriert vom Gehirn durchläuft das Material in einer Lösung Oxidation und Reduktion, ähnlich wie die Neuronen unseres Gehirns. Das Neuron ist polarisiert, wenn die Plasmamembran innen eine negative Ladung im Vergleich zur Außenseite hat, und wenn Änderungen es weniger negativ machen, spricht man von Depolarisation.

Zusätzlich bleibt das Material bei Raumtemperatur flüssig. Dies erleichtert seine Oxidation, um eine dichte Galliumoxid‑Schicht auf der Oberfläche des Flüssigs zu bilden. Diese Galliumoxid‑Schicht entspricht einem hoch‑elektrischen Widerstands‑Zustand des Speichersystems und einem niedrigen Widerstands‑Zustand von elementarem Gallium, der reduzierten Form des Flüssigs.

Ein hohes Widerstands‑Verhältnis, also der Unterschied zwischen dem Widerstand dieser beiden Zustände, ist für die Speicher‑Performance entscheidend.

Erreichen hoher Integration und Skalierbarkeit

Was die Leistung betrifft, müssen Speichergeräte zahlreiche Eigenschaften besitzen, darunter Energieeffizienz, schnelle Lese‑ und Schreibgeschwindigkeiten, hohe Speicherdichte, Daten‑Retention, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit. Das Problem besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen diesen Aspekten zu finden und gleichzeitig die Flexibilität des Geräts zu maximieren.

Um also ein Gerät zu entwickeln, das hohen Verformungsgraden standhält, nutzte 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 erlaubt die Produktion von Teilen, die mit traditionellen Fertigungsverfahren wirtschaftlich nicht möglich waren. AM bedeutet im Grunde, dreidimensionale Objekte zu erzeugen, indem Schichten von Material nach einem computergenerierten Design aufgetragen werden.

Aufgrund seiner Kosteneffizienz hat 3D‑Druck die Fertigung erstmals für die Massen zugänglich gemacht. Gleichzeitig macht seine Fähigkeit, Design‑Flexibilität und schnelle Prototypenentwicklung zu bieten, diese Technik bei Wissenschaftlern und Forschern populär.

Sobald das Gerät erstellt war, wurden Tropfen des gallium‑basierten Flüssigmetalls in die Formhohlräume gegeben. Um ein Auslaufen der Lösung zu verhindern, setzten die Forscher zudem Tropfen einer Polyvinyl‑Acetat‑Hydrogel‑Lösung ein, die separat injiziert wurde, da sie das Widerstands‑Verhältnis des Geräts erhöht und seine mechanischen Eigenschaften verbessert.

Die Größe des Flüssigmetall‑Tropfens war hier von Bedeutung, da sie das Verhältnis zwischen Hoch‑ und Niedrig‑Widerstands‑Zustand im Gerät erheblich beeinflusst. Ein kleinerer Tropfen führt zu einem erhöhten Verhältnis wegen des verstärkten Einflusses der Oberflächen‑Oxidschicht. Je kleiner also der Tropfen, „desto empfindlicher die Speicher‑Reaktion“.

Liu sagte:

„Die Reduzierung der Tropfengröße verbessert die Integration und Skalierbarkeit von FlexRAM und macht vollständig flexiblen Hochdichtespeicher zu einer vielversprechenden Option für diverse ingenieurtechnische Entwicklungen.“ 

Lesen, Schreiben & Speichern von Daten

Wenn es um die Kodierung von Daten geht, nutzt FlexRAM die Oxidations‑ und Reduktionsprozesse des Flüssigmetalls. 

So funktioniert es: Das gallium‑basierte Flüssigmetall wird oxidiert, wenn eine niedrige Spannung angelegt wird. Dies führt zu einem Hoch‑Widerstands‑Zustand von „1“. Durch Umkehrung der Spannungspolarität kehrt das Flüssigmetall in seinen ursprünglichen Niedrig‑Widerstands‑Zustand von „0“ zurück. Dieser reversible Schaltvorgang ermöglicht das Speichern und Löschen von Daten im Gerät.

Um FlexRAMs Lese‑ und Schreibfähigkeit zu demonstrieren, integrierten die Forscher das Gerät in ein Software‑ und Hardware‑Setup. Durch Computerbefehle schrieb das Team eine Zeichenkette aus Zahlen und Buchstaben auf ein Array von acht FlexRAM‑Speichereinheiten.

Diese Buchstaben und Zahlen wurden in Form von 0 und 1 kodiert und entsprachen 1 Byte Dateninformation, was weit entfernt von Speicher‑Kapazitäten für Endverbraucher ist.

Im nächsten Schritt nutzte das Team eine Technik namens Pulsweitenmodulation, die das digitale Signal des Computers in ein analoges umwandelt. Die Technik ermöglichte es, die Oxidation und Reduktion des Flüssigmetalls präzise zu steuern.

Dann applizierte das Team während des Lesens eine kurze 1‑Volt‑Testspannung, um den Widerstands‑Zustand des Systems zu messen, ohne den Redox‑Zustand des Metalls zu verändern. Der Strom wird dann an den Computer übertragen, der das Signal mittels eines Algorithmus in 0 oder 1 umwandelt. Schließlich wird die kodierte Botschaft auf einem LED‑Display angezeigt.

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

Dies zeigt sich in der Beobachtung, dass die im Gerät gespeicherten Daten auch nach Abschalten der Stromversorgung erhalten bleiben. Das könnte bedeuten, dass das Gerät als flexible Speicherform und möglicherweise über RAM hinaus vielversprechend ist. Liu bemerkte:

„FlexRAM könnte in komplette flüssigkeitsbasierte Rechensysteme integriert werden und als Logik‑Gerät fungieren.“ 

FlexRAM kann seine Daten zudem bis zu 43 200 Sekunden bzw. 12 Stunden in einer Umgebung mit wenig oder keinem Sauerstoff behalten. Außerdem kann das Gerät wiederholt verwendet werden, während es über 3 500 Zyklen hinweg stabile Leistung erbringt. Obwohl ein guter Anfang, liegt es noch weit entfernt von dem, was herkömmlicher, nicht flexibler Speicher leisten kann, nämlich Millionen.

Enormes Anwendungspotenzial

Obwohl das Gerät vielversprechende Leistungen gezeigt hat, entsprechen seine Reaktionszeit und sein Integrationsgrad noch nicht den kommerziellen Standards. Das bedeutet, dass weiterhin Verbesserungen in mehreren Bereichen nötig sind, einschließlich des Fertigungsverfahrens, das derzeit das sequentielle Befüllen der Materialien beinhaltet.

Das Team beabsichtigt, intelligente und automatisierte Fertigungsprozesse zusammen mit 3D‑Luftdruck‑ und Verpackungstechnologie zu nutzen.

Dennoch ist die Technologie noch sehr jung und wird Jahre benötigen, um vollständig realisiert zu werden. Das Konzept ist jedoch ermutigend, und dieser neue Ansatz hat das Interesse der Industrie geweckt, wobei mehrere flüssigkeitsbasierte Konzepte erforscht werden.

Eine solche Forschung wurde vor ein paar Jahren demonstriert, als zwei neue flüssigkeitsbasierte Speicher‑konzepte vorgeschlagen wurden – kolloidaler und elektrolithischer Speicher, die das Potenzial für extrem hochdichte Nearline‑Speicheranwendungen besitzen.

Erneut, inspiriert von Fortschritten in den Lebenswissenschaften, wurde das Speichermedium für die Herstellung eines dichten Arrays von Zugriffsgeräten als Flüssigkeit vorgeschlagen, die Ionen, Moleküle oder (Nano‑)Partikel enthält und in größeren Volumina manipuliert werden kann, um ein Zugriffsgerät zu bilden, das Teil eines dichten Arrays ist.

IMEC, ein F&D‑ und Innovationszentrum für Nanoelektronik und digitale Technologien, sieht die Einführung von Flüssig‑Speicher ab 2030 voraus. Es prognostiziert, dass mit diesen Ansätzen die Bit‑Speicherdichte in den Bereich von 1 Tbit/mm² bei geringeren Prozesskosten pro mm² geschoben werden kann. Es wurde zudem festgestellt, dass diese Speicherlösungen für Nearline‑Anwendungen geeignet sein müssen, indem sie ausreichende Reaktionszeit, Energieverbrauch, Bandbreite (z. B. 20 Gb/s), Zyklus‑Beständigkeit (10³ Lese‑/Schreibzyklen) und die Fähigkeit, Daten über ein Jahrzehnt zu behalten, aufweisen.

In einem anderen Beispiel, im Jahr 2020, gewannen Forscher Ladung aus Flüssigmetall‑Batterien. Hier befanden sich das Salzelektrolyt, die Metall‑Anode und die Kathode alle in flüssiger Form. Im Vergleich zu Festkörperbatterien profitieren Flüssigmetall‑Batterien von der schnellen Diffusion von Ionen zwischen den Elektroden, was schnelle Lade‑Entlade‑Zyklen ermöglicht.

Zudem sind mechanische Belastungen deutlich geringer, und es entfällt die Notwendigkeit von Membranen und Trennschichten, während die Langzeit‑Stabilität und Nutzbarkeit verbessert werden. Die Forschung stellte fest, dass Flüssigmetall‑Batterien, obwohl schwer, nicht entflammbar sind und sich besser für groß‑skalige Stromspeicherung eignen könnten.

Kürzlich haben Wissenschaftler entdeckt, dass ein flüssigmetall‑basiertes Composite robuste elektrische und mechanische Verbindungen zwischen weicher Schaltung und starren elektrischen Komponenten ermöglicht. Die Forscher hoffen, dass dieses Material, genannt E‑CASE, ein elektrisch leitfähiger Klebstoff mit Silber und eutektischem Gallium‑Indium (EGaIn), eine Rolle in Elektronik, Robotik und Sensorik spielt.

Während Forscher Herausforderungen angehen und die Technologie verfeinern, kann FlexRAM künftig in implantierbarer Elektronik, weicher Robotik und Gehirn‑Computer‑Schnittstellen eingesetzt werden.

Additive Fertigungsunternehmen 

#1. Materialise

Der in Belgien ansässige 3D‑Druck‑Dienstleister bedient eine Vielzahl von Branchen, darunter Automobil, Luft‑ und Raumfahrt sowie Gesundheitswesen. In den letzten Monaten ging Materialise mehrere Partnerschaften ein, unter anderem mit Ricoh USA zur Förderung der Nutzung von 3D‑gedruckten anatomischen Modellen, mit Proponent zum 3D‑Drucken von Kabinenlösungen für Flugzeuge, mit Nikon SLM Solutions zur Entwicklung fortschrittlicher Build‑Prozessoren und mit Ansys zur Vereinfachung der Simulation für den 3D‑Druck.

Mit einer Marktkapitalisierung von 329 Millionen $ wird die Aktie von Materialise (MTLS:NASDAQ) zu 5,57 $ gehandelt, ein Rückgang von 15,16 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz (TTM) von 272 Mio. $ und hat ein EPS (TTM) von 0,05 sowie ein KGV (TTM) von 116,53. Im 3Q23‑Ergebnisbericht meldete das Unternehmen einen Umsatzanstieg von 3,2 % auf 63,6 Mio. $ gegenüber dem Vorjahr, während das EBITDA um 55 % sprang und der Nettogewinn um 184 % auf 4,2 Mio. $ stieg.

#2. EOS GmbH

Das in Deutschland ansässige EOS GmbH ist ein führender industrieller 3D‑Druck‑Hersteller, das eine FDR‑Technologie eingeführt hat, die die Produktion feiner Details ohne Qualitätsverlust ermöglicht. Gleichzeitig eliminiert die Smart‑Fusion‑Technologie Stützstrukturen, senkt Kosten, minimiert Materialverbrauch und reduziert den Nachbearbeitungsaufwand. Die neuen Systeme ermöglichen zudem eine vollständig automatisierte Lösung, die mit dem Produktionsbedarf skaliert.

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

Abschließendes Wort

Die Fähigkeit des Liquid Metal Ram, nahezu jede Verformung zu überstehen, verspricht eine großartige Zukunft für elektronische Geräte und bereichert unser Leben weiter. Sie befinden sich jedoch noch in einem frühen Stadium, und es ist weitere Forschung und Arbeit nötig, bevor sie kommerzialisiert werden können.

Hier kann die additive Fertigung eine Schlüsselrolle spielen, indem sie maßgeschneiderte Designs und eine bessere Integration verschiedener Komponenten für verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit ermöglicht. Zudem erlaubt sie schnelles Prototyping, sodass Forscher und Unternehmen rasche Verbesserungen vornehmen können, während Abfall reduziert, Skalierbarkeit und On‑Demand‑Produktion geboten werden.

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