Η Προσθετική Κατασκευή μπορεί να είναι το Κλειδί για την Εμπορική Εφαρμογή του ‘Liquid Metal Ram’

Μια νέα προσέγγιση για τα συστήματα αποθήκευσης, που επιτεύχθηκε από ερευνητές του Πανεπιστημίου Tsinghua στην Κίνα, επιτρέπει την ευέλικτη μνήμη χωρίς να επηρεάζει την απόδοση των ηλεκτρονικών συσκευών. Χρηματοδοτούμενο από το Εθνικό Ίδρυμα Φυσικών Επιστημών της Κίνας, το Ίδρυμα Επιστημών της Κίνας και το Πρόγραμμα Υποτροφιών Shuimu Tsinghua, αυτή η έρευνα εισάγει τη “Μνήμη Υγρού Μετάλλου” σε μια πρόσφατη δημοσίευση στο “Advanced Materials.”

Τα συστήματα αποθήκευσης, ως ζωτικά συστατικά των ηλεκτρονικών συσκευών, πρέπει να γίνουν πολύ πιο ευέλικτα, καθώς ο κόσμος βλέπει πιο προηγμένα wearable ηλεκτρονικά, βιοϊατρικές συσκευές και μαλακά ρομπότ. Αυτά τα συστήματα αποθήκευσης δεδομένων πρέπει να τεντωθούν, να λυγίσουν και να στρεβλώσουν σε ακραίες συνθήκες χωρίς να επηρεάσουν την απόδοση των συσκευών.

Η επίτευξη ευέλικτης μνήμης ήταν μια πρόκληση λόγω των περιορισμών των συμβατικών μεθοδολογιών αποθήκευσης. Η τελευταία μελέτη προτείνει einen νέο τύπο αρχών αποθήκευσης που εμπνέεται από τα μηχανισμοί πολικότητας και αποπολικότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Με την εισαγωγή οξείδωσης και αποοξείδωσης του υγρού μετάλλου, η ομάδα πέτυχε πλήρως ευέλικτη μνήμη. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αναστρέψιμη ηλεκτροχημική οξείδωση για να ρυθμίσουν τη συνολική αγωγιμότητα του υγρού μετάλλου, δημιουργώντας μια σημαντική διαφορά αντίστασης 11 τάξεων για την αποθήκευση δυαδικών δεδομένων, όπως σημειώθηκε.

Για να επιτύχουν την καλύτερη απόδοση αποθήκευσης, διεξήχθησαν συστηματικές βελτιώσεις πολλών παραμέτρων. Πειράματα концептуαλισμού έδειξαν σταθερότητα μνήμης σε ακραίες συνθήκες παραμόρφωσης, συμπεριλαμβανομένων 360° στρέβλωσης, 180° λυγίσματος και 100% τεντώματος. Επιπλέον, δοκιμές απέδειξαν καλύτερη απόδοση με μικρότερα μεγέθη μονάδων της μνήμης.

Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το σύστημα αποθήκευσης τους επιτυγχάνει μια ταχεία ταχύτητα αποθήκευσης πάνω από 33 Hz και μια μακρά ικανότητα διατήρησης δεδομένων πάνω από 43200 s, με σταθερή, επαναλαμβανόμενη λειτουργία μέχρι 3500 κύκλους. Αυτά τα εξαιρετικά μετρικά στοιχεία απόδοσης υποδηλώνουν ότι η “επανάσταση” αυτή μπορεί να υπερβεί τις εγγενείς περιορισμοί της ριζικότητας των υφιστάμενων μονάδων ηλεκτρονικής αποθήκευσης, ανοίγοντας το δρόμο για καινοτόμες νευρομορφικές συσκευές.

Έτσι, η μνήμη υγρού μετάλλου αλλάζει θεμελιωδώς τις παραδοσιακές έννοιες της ευέλικτης μνήμης, προσφέροντας πρακτικές οδούς για μελλοντικές εφαρμογές σε βιο-εμπνευσμένες συστήματα τεχνητής νοημοσύνης, μαλακά ρομπότ και wearable ηλεκτρονικά.

Μια Αντισυνήθης Προσέγγιση: Χρήση Υγρού Μετάλλου

Η αυξανόμενη χρήση ευέλικτων συσκευών σημαίνει ότι η ζήτηση για τις παραμορφώσιμες ιδιότητες της μνήμης θα αυξηθεί, είπε ο Jing Liu, καθηγητής στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου Tsinghua στην Πεκίνο, σε μια συνέντευξη.

Η ευέλικτη αντίσταση RAM ονομάζεται FlexRAM και αναπτύχθηκε με μια αντισυνήθης προσέγγιση — υγρό. Αυτή η υγρή μνήμη RAM αποθηκεύει πληροφορίες σε ένα περιβάλλον διαλύματος, παρόμοιο με τον τρόπο που το μυαλό μας το κάνει, το οποίο είναι περίπου 70% νερό.

Λαμβάνοντας αυτή τη βιομιμητική προσέγγιση, το FlexRAM διαφέρει από τα τρέχοντα συστήματα μνήμης, τα οποία είναι στερεά. Η βιομιμητική προσέγγιση, σύμφωνα με τον Liu, είναι παρόμοια με “τα υδάτινα περιβάλλοντα που βρίσκονται μέσα στα ζωντανα όργανα.”

Μέχρι τώρα, η ευελιξία των υφιστάμενων συσκευών μνήμης έχει περιοριστεί επειδή συνήθως δημιουργούνται με την τοποθέτηση των μη ευέλικτων компонентів μνήμης σε μαλακά υλικά. Αυτό κάνει τις συσκευές ευέλικτες μόνο μερικώς και οδηγεί σε αποκόλληση και ρήγμα όταν η συσκευή παραμορφώνεται.

Το FlexRAM στοχεύει να αλλάξει αυτό χρησιμοποιώντας ένα κράμα που αποτελείται από γάλλιο και ινδίο ως το компонент μνήμης για να κατασκευάσει τη συσκευή αποθήκευσης. Τα υγρά μέταλλα με βάση το γάλλιο είναι ένα ελκυστικό υλικό λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών τους, όπως η υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, η χαμηλή τοξικότητα και η χαμηλή ιξώδες με φυσική κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου.

Εμπνευσμένοι από τον εγκέφαλο, το υλικό περνάει από οξείδωση και αναγωγή σε ένα περιβάλλον διαλύματος, παρόμοιο με τους νευρώνες του εγκεφάλου. Ο νευρώνας είναι πολωμένος όταν η μεμβράνη του πλάσματος έχει αρνητικό φορτίο σε σύγκριση με το εξωτερικό, και όταν οι αλλαγές το κάνουν λιγότερο αρνητικό, είναι αποπολικότητα.

Επιπλέον, το υλικό διατηρεί την υγρή του κατάσταση σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό διευκολύνει την οξείδωσή του για να σχηματίσει một πυκνό στρώμα οξειδίου του γαλλίου στην επιφάνεια του υγρού. Αυτό το στρώμα οξειδίου του γαλλίου αντιστοιχεί σε μια υψηλή ηλεκτρική αντίσταση της μνήμης και μια χαμηλή αντίσταση του στοιχείου γαλλίου, της μειωμένης μορφής του υγρού.

Μια υψηλή αναλογία αντίστασης, η διαφορά μεταξύ της αντίστασης αυτών των δύο καταστάσεων, είναι απαραίτητη για την απόδοση της μνήμης.

Επίτευξη Υψηλής Ολοκλήρωσης και Κλιμάκωσης

Όταν πρόκειται για απόδοση, οι συσκευές αποθήκευσης μνήμης πρέπει να έχουν πολλά χαρακτηριστικά, συμπεριλαμβανομένης της ενεργειακής απόδοσης, της ταχύτητας ανάγνωσης και εγγραφής, της υψηλής πυκνότητας αποθήκευσης, της διατήρησης δεδομένων, της αντοχής και της αξιοπιστίας. Το πρόβλημα έρχεται στην ισορροπία μεταξύ αυτών των аспектών ενώ μεγιστοποιείται η ευελιξία της συσκευής.

Έτσι, για να αναπτύξουν μια συσκευή που μπορεί να χειριστεί υψηλά επίπεδα παραμόρφωσης, η ομάδα ερευνητών χρησιμοποίησε ένα ελαστικό πολυμερές που ονομάζεται Ecoflex ως υλικό ενθυλάκωσης.

Στη συνέχεια, η ομάδα χρησιμοποίησε einen 3D εκτυπωτή για να εκτυπώσει καλούπια Ecoflex. 3D εκτύπωση ή προσθετική κατασκευή επιτρέπει την παραγωγή σύνθετων αντικειμένων. Επιτρέπει την παραγωγή αντικειμένων που δεν ήταν δυνατά οικονομικά με την παραδοσιακή κατασκευή. Η AM βασικά σημαίνει τη δημιουργία τρισδιάστατων αντικειμένων με την τοποθέτηση στρωμάτων υλικού σε ένα σχέδιο που δημιουργήθηκε από υπολογιστή.

Λόγω της οικονομικής της αποτελεσματικότητας, 3D εκτύπωση έχει κάνει την κατασκευή προσιτή για τις μάζες για πρώτη φορά. Εν τω μεταξύ, η ικανότητά της να προσφέρει ευελιξία σχεδιασμού και ταχεία πρωτοτυποποίηση την κάνει δημοφιλή μεταξύ επιστημόνων και ερευνητών.

Έτσι, μια φορά που η συσκευή δημιουργήθηκε, σταγόνες του υγρού μετάλλου με βάση το γάλλιο τοποθετήθηκαν στις κοιλότητες του καλούπιου. Για να αποφευχθεί η διαρροή του διαλύματος, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επίσης σταγόνες του υδρογέλης πολυβινυλοακετάτης, το οποίο εγχέθηκε ξεχωριστά λόγω της ικανότητάς του να αυξήσει την αναλογία αντίστασης της συσκευής και να ενισχύσει τις μηχανικές της ιδιότητες.

Το μέγεθος της σταγόνων του υγρού μετάλλου ήταν σημαντικό εδώ, καθώς επηρεάζει σημαντικά την αναλογία υψηλής αντίστασης/χαμηλής αντίστασης στη συσκευή. Μικρότερο μέγεθος σταγόνων οδηγεί σε αυξημένη αναλογία λόγω της ενισχυμένης επίδρασης του επιφανειακού οξειδίου. Έτσι, το μικρότερο το μέγεθος της σταγόνων, “το πιο ευαίσθητη η απόκριση της μνήμης”.

Ο Liu είπε:

“Η μείωση του μεγέθους της σταγόνων ωφελεί την ολοκλήρωση και την κλιμάκωση του FlexRAM, καθιστώντας πλήρως ευέλικτη, υψηλής πυκνότητας μνήμη μια υποσχόμενη επιλογή για διάφορες μηχανικές αναπτύξεις.”

Ανάγνωση, Εγγραφή και Αποθήκευση Δεδομένων

Τώρα, όταν πρόκειται για κωδικοποίηση δεδομένων, το FlexRAM το κάνει μέσω των διαδικασιών οξείδωσης και αναγωγής του υγρού μετάλλου.

Έτσι, ο τρόπος που λειτουργεί είναι ότι το υγρό μέταλλο με βάση το γάλλιο οξειδώνεται όταν εφαρμοστεί μια χαμηλή τάση. Αυτό του δίνει μια υψηλή αντίσταση κατάσταση “1”. Με την αντιστροφή της πολικότητας της τάσης, το υγρό μέταλλο επιστρέφει στην αρχική του χαμηλή αντίσταση κατάσταση “0”. Αυτή η αναστρέψιμη διαδικασία εναλλαγής επιτρέπει τη μνήμη να αποθηκευτεί και να διαγραφεί στη συσκευή.

Για να αποδείξουν την ικανότητα ανάγνωσης και εγγραφής του FlexRAM, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν τη συσκευή σε ένα λογισμικό και υλικό σύστημα. Χρησιμοποιώντας εντολές υπολογιστή, η ομάδα έγραψε μια σειρά αριθμών και γραμμάτων σε ένα σύνολο οκτώ μονάδων αποθήκευσης FlexRAM.

Αυτά τα γράμματα και αριθμοί κωδικοποιήθηκαν στη μορφή 0 και 1 και αντιστοιχούσαν σε 1 byte πληροφοριών δεδομένων, το οποίο είναι πολύ μακριά από την ικανότητα μνήμης των καταναλωτών.

Στο επόμενο βήμα, η ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονομάζεται ρυθμός παλμού, η οποία μετέτρεψε το ψηφιακό σήμα από τον υπολογιστή σε αναλογικό. Η τεχνική επέτρεψε να ελέγξουν προσεκτικά την οξείδωση και αναγωγή του υγρού μετάλλου.

Στη συνέχεια, η ομάδα εφαρμόσε μια σύντομη τάση 1 βολτ κατά τη διάρκεια της ανάγνωσης πληροφοριών για να μετρήσει την κατάσταση αντίστασης του συστήματος χωρίς να αλλάξει την οξειδωτική κατάσταση του μετάλλου. Η ροή μεταφέρεται στον υπολογιστή, ο οποίος μετατρέπει το σήμα σε 0 ή 1 χρησιμοποιώντας einen αλγόριθμο. Τέλος, το κωδικοποιημένο μήνυμα εμφανίζεται σε μια οθόνη LED.

Ενώ το πρωτότυπο είναι μια εύθραυστη μνήμη, η αρχή επιτρέπει την ανάπτυξη της συσκευής σε διάφορες μορφές μνήμης.

Αυτό μπορεί να φανεί στην παρατήρηση ότι τα αποθηκευμένα δεδομένα στη συσκευή διατηρούνται ακόμη και όταν η δύναμη απενεργοποιείται. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι η συσκευή έχει υποσχόμενη ως一种 μορφή ευέλικτης αποθήκευσης και μπορεί να είναι πέρα από την RAM. Ο Liu σημείωσε:

“Το FlexRAM θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ολόκληρα συστήματα υπολογισμού με βάση το υγρό, λειτουργώντας ως συσκευή λογικής.”

Το FlexRAM μπορεί να διατηρήσει τα δεδομένα για μέχρι 43.200 δευτερόλεπτα ή 12 ώρες σε ένα περιβάλλον με χαμηλό ή μηδενικό οξυγόνο. Επίσης, η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ξανά και ξανά ενώ διατηρεί μια σταθερή απόδοση για περισσότερους από 3500 κύκλους. Ενώ είναι μια καλή αρχή, δεν είναι ακόμη κοντά σε αυτό που μπορούν να κάνουν οι παραδοσιακές αλλά μη ευέλικτες μνήμες, οι οποίες είναι σε εκατομμύρια.

Εκτενής Εφαρμογή

Ενώ η συσκευή έχει αποδείξει υποσχόμενη απόδοση, ο χρόνος απόκρισης και το επίπεδο ολοκλήρωσης δεν είναι ακόμη σε εμπορικά πρότυπα. Αυτό σημαίνει ότι vẫn υπάρχει ανάγκη για βελτιώσεις σε διάφορα μέτωπα, συμπεριλαμβανομένης της διαδικασίας κατασκευής, η οποία, μέχρι τώρα, περιλαμβάνει την πλήρωση των υλικών σε σειρά.

Η ομάδα στοχεύει να χρησιμοποιήσει έξυπνες και αυτοματοποιημένες διαδικασίες κατασκευής μαζί με τεχνολογία 3D αεροπορικής εκτύπωσης και συσκευασίας.

Πάντως, η τεχνολογία είναι ακόμη πολύ νεαρή και θα χρειαστεί χρόνια για να πάρει πλήρη μορφή. Έχοντας कह ذلك, το concept είναι ενθαρρυντικό, και αυτή η νέα προσέγγιση έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον της βιομηχανίας με διάφορες υγρές концепτικές έρευνες.

Μια τέτοια έρευνα αποδείχθηκε πριν από quelques χρόνια όταν δύο νέες υγρές концепτικές αποθήκευσης προτάθηκαν — κολλοειδής και ηλεκτρολιθική μνήμη, οι οποίες έχουν δυνατότητα για εξαιρετικά υψηλής πυκνότητας近線 αποθήκευσης.

Πάλι, λαμβάνοντας έμπνευση από τις προόδους στις βιοεπιστήμες, το μέσο αποθήκευσης για τη δημιουργία eines πυκνού πίνακα συσκευών πρόσβασης προτάθηκε να είναι ένα υγρό που περιέχει ιόντα, μόρια ή (νανο-)σωματίδια, τα οποία μπορούν να χειριστούν σε μεγαλύτερες ποσότητες σε μια συσκευή πρόσβασης που είναι μέρος ενός πυκνού πίνακα.

Το IMEC, ένα κέντρο έρευνας και καινοτομίας σε νανοηλεκτρονική και ψηφιακές τεχνολογίες, προβλέπει την εισαγωγή της υγρής μνήμης από το 2030 και μετά. Προβλέπει ότι με αυτές τις προσεγγίσεις, η πυκνότητα αποθήκευσης bit μπορεί να οδηγηθεί προς την περιοχή 1Tbit/mm2 σε χαμηλότερο κόστος διαδικασίας ανά mm2. Επίσης, σημείωσε ότι για αυτές τις λύσεις αποθήκευσης να είναι βιώσιμες για εφαρμογές近線, η τεχνολογία πρέπει να έχει επαρκή χρόνο απόκρισης, κατανάλωση ενέργειας, εύρος ζώνης (π.χ. 20Gb/s), αντοχή κύκλων (10^3 κύκλοι ανάγνωσης/εγγραφής) και την ικανότητα να διατηρεί δεδομένα για πάνω από μια δεκαετία.

Σε μια άλλη περίπτωση, το 2020, ερευνητές πήραν μια φόρτιση από τις μπαταρίες υγρού μετάλλου. Εδώ, το ηλεκτρολύτη αλατιού, ο ánodos μετάλλου και ο καθόδος ήταν όλα σε υγρή μορφή. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες σε στερεή κατάσταση, οι μπαταρίες υγρού μετάλλου επωφελούνται από την ταχεία διάχυση ιόντων μεταξύ ηλεκτροδίων, που σημαίνει γρήγορους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης.

Επιπλέον, οι μηχανικές τάσεις είναι πολύ λιγότερες, και αφαιρεί την ανάγκη για μεμβράνες και διαχωριστές ενώ ενισχύει τη μακροχρόνια σταθερότητα και χρησιμότητα. Η έρευνα ανέφερε ότι οι μπαταρίες υγρού μετάλλου, αν και βαρείς, δεν είναι εύφλεκτες και θα μπορούσαν να είναι πιο κατάλληλες για μεγάλης κλίμακας αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας.

Πιο πρόσφατα, επιστήμονες ανακάλυψαν ένα υγρό μέταλλο-συστατικό που επιτρέπει ρομποτικά και ηλεκτρικά συνδέσεις μεταξύ μαλακών κυκλωμάτων και σκληρών ηλεκτρικών συσκευών. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι αυτό το υλικό, που ονομάζεται E-CASE, θα παίξει ένα ρόλο σε ηλεκτρονικά, ρομπότ και αισθητήρες.

Έτσι, καθώς οι ερευνητές αντιμετωπίζουν προκλήσεις και βελτιώνουν την τεχνολογία, το FlexRAM μπορεί επίσης να βρει χρήση σε εμφυτεύσιμα ηλεκτρονικά, μαλακά ρομπότ και συστήματα διεπαφής εγκεφάλου-μηχανής στο μέλλον.

Εταιρείες Προσθετικής Κατασκευής

#1. Materialise

Η εταιρεία 3D εκτύπωσης υπηρεσιών με έδρα το Βέλγιο εξυπηρετεί eine σειρά βιομηχανιών, συμπεριλαμβανομένων αυτοκίνητων, αεροδιαστημικής και υγειονομικής περίθαλψης. Τα τελευταία пару μηνών, η Materialise εισήλθε σε διάφορες συνεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της συνεργασίας με την Ricoh USA για την προώθηση της χρήσης 3D-εκτυπωμένων ανατομικών μοντέλων, με την Proponent για την 3D-εκτύπωση καμπινών για αεροσκάφη, με την Nikon SLM Solutions για την ανάπτυξη προηγμένων Build Processors και με την Ansys για την απλοποίηση της.simulation για 3D εκτύπωση.

Με μια αγορά 329 εκατομμυρίων δολαρίων, η μετοχή της Materialise (MTLS:NASDAQ) έχει διαπραγματευτεί στο 5,57 δολάρια, με πτώση 15,16% YTD. Η εταιρεία ανέφερε έσοδα (TTM) 272 εκατομμυρίων δολαρίων και έχει ένα EPS (TTM) 0,05 και ένα P/E (TTM) 116,53. Η εταιρεία ανέφερε αύξηση 3,2% στο συνολικό της έσοδο σε 63,6 εκατομμύρια δολάρια από το προηγούμενο έτος κατά τη διάρκεια της 3Q23 ετήσιας έκθεσης, ενώ το EBITDA saw μια αύξηση 55% και το καθαρό κέρδος αυξήθηκε 184% σε 4,2 εκατομμύρια δολάρια.

#2. EOS GmbH

Η γερμανική εταιρεία EOS GmbH είναι ένας ηγέτης στην βιομηχανική 3D εκτύπωση που έχει κυκλοφορήσει μια τεχνολογία FDR που επιτρέπει την παραγωγή λεπτών λεπτομερειών χωρίς να θυσιάζει την ποιότητα. Εν τω μεταξύ, η εταιρεία Smart Fusion εξαφανίζει τις υποστηρικτικές cấu trúc, μειώνει το κόστος, ελαχιστοποιεί τη χρήση υλικού και μειώνει τις απαιτήσεις μετά-επεξεργασίας. Τα νέα συστήματα της επιτρέπουν μια πλήρως αυτοματοποιημένη λύση που κλιμακώνεται σύμφωνα με τις ανάγκες παραγωγής.

Εκτός από την EOS GmbH και την Materialise, εταιρείες 3D εκτύπωσης όπως η Stratasys, η GE Additive, η Desktop Metal, η Formlabs και η Renishaw μπορούν να βοηθήσουν στην εμπορική εφαρμογή του Liquid Metal Ram. Εν τω μεταξύ, οι εταιρείες όπως η Soft Robotics, η Shadow Robot Company, η Neuralink, η CTRL-labs, η BrainGate, η Apple και η Samsung μπορούν να επωφεληθούν από αυτή τη νέα προσέγγιση για τα συστήματα αποθήκευσης.

Τελική Λέξη

Η ικανότητα του Liquid Metal Ram να αντέχει σχεδόν οποιαδήποτε παραμόρφωση υπόσχεται einen μεγάλο μέλλον για τις ηλεκτρονικές συσκευές, εμπλουτίζοντας ακόμη περισσότερο τη ζωή μας. Ωστόσο, είναι ακόμη σε μια πρώιμη φάση, και χρειάζεται περισσότερη έρευνα και εργασία πριν μπορέσουν να εμπορευματοποιηθούν.

Εδώ, η προσθετική κατασκευή μπορεί να παίξει einen κρίσιμο ρόλο επιτρέποντας την προσαρμογή των σχεδίων και την καλύτερη ολοκλήρωση των διαφόρων компонентів για βελτιωμένη απόδοση και αξιοπιστία. Επιπλέον, επιτρέπει την ταχεία πρωτοτυποποίηση, επιτρέποντας στους ερευνητές και τις εταιρείες να κάνουν γρήγορες βελτιώσεις ενώ μειώνουν τα απόβλητα, προσφέροντας κλιμάκωση και παραγωγή κατά παραγγελία.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε όλα για την επένδυση σε μετοχές 3D εκτύπωσης (προσθετική κατασκευή).