Fabricación aditiva
La fabricación aditiva puede ser clave para comercializar ‘Liquid Metal Ram’
Un nuevo enfoque para los sistemas de almacenamiento, logrado por investigadores de la Universidad Tsinghua en China, permite una memoria flexible sin comprometer el rendimiento de los dispositivos electrónicos. Financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la Fundación de Ciencia Postdoctoral de China y el Programa de Becas Shuimu Tsinghua, esta investigación introduce “Liquid Metal Memory” en una publicación reciente en “Advanced Materials”.
Los sistemas de almacenamiento, al ser componentes vitales de los dispositivos electrónicos, deben volverse mucho más flexibles a medida que el mundo ve más electrónica wearable, dispositivos biomédicos y robótica suave. Estos sistemas de almacenamiento de datos deben estirarse, doblarse y torcerse en extremos sin afectar el rendimiento de los dispositivos emergentes.
Lograr una memoria flexible ha sido un desafío debido a las limitaciones de las metodologías de almacenamiento convencionales. El estudio más reciente propone una nueva clase de principios de almacenamiento inspirados en los mecanismos de polarización y despolarización del cerebro humano.
Al introducir comportamientos de oxidación y desoxidación de metales líquidos, el equipo logró una memoria completamente flexible. Los investigadores utilizaron la oxidación electroquímica reversible para modular la conductividad general de los metales líquidos objetivo, creando una diferencia de resistencia de 11 órdenes para el almacenamiento de datos binarios, como se señaló.
Para obtener el mejor rendimiento de almacenamiento, se realizaron optimizaciones sistemáticas de múltiples parámetros. Experimentos conceptuales mostraron estabilidad de la memoria en escenarios de deformación extrema, incluyendo torsión de 360°, flexión de 180° y estiramiento del 100%. Pruebas adicionales demostraron un mejor rendimiento con tamaños de unidad de memoria más pequeños.
El equipo concluyó que su sistema de almacenamiento logra una velocidad de almacenamiento rápida de más de 33 Hz y una capacidad de retención de datos a largo plazo de más de 43200 s, con una operación estable y repetible hasta 3500 ciclos. Estas métricas de rendimiento notables indican que el “método innovador” puede superar las limitaciones de rigidez innatas de las unidades de almacenamiento electrónicas existentes, al mismo tiempo que allana el camino para dispositivos neuromórficos innovadores.
Así, la memoria de metal líquido altera fundamentalmente los conceptos tradicionales de memoria flexible, ofreciendo vías prácticas para aplicaciones futuras en sistemas de inteligencia artificial bioinspirados, robótica suave y electrónica wearable.
Un enfoque no convencional: utilizando un metal líquido
El aumento del uso de dispositivos flexibles significa que la demanda de las características deformables de la memoria crecerá, dijo Jing Liu, profesor del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Tsinghua en Beijing, en una entrevista.
El dispositivo de memoria resistiva flexible se denomina FlexRAM y se desarrolla con un enfoque no convencional: líquido. Este RAM de metal líquido almacena información en un entorno de solución, similar a como lo hace nuestro cerebro, que es aproximadamente un 70% de agua.
Al tomar este enfoque biomimético, FlexRAM se diferencia de los sistemas de memoria actuales, que son sólidos. El enfoque biomimético, según Liu, es similar a “los entornos de trabajo acuosos que se encuentran dentro de los organismos vivos”.
Hasta ahora, la flexibilidad de los dispositivos de memoria existentes ha sido limitada porque generalmente se crean colocando los componentes de memoria inflexibles sobre materiales suaves. Esto hace que los dispositivos sean solo parcialmente flexibles y conduce a la descamación y la grieta cuando el dispositivo se deforma.
FlexRAM pretende cambiar esto utilizando una aleación compuesta por galio e indio como componente de memoria para fabricar su dispositivo de almacenamiento. Los metales líquidos a base de galio son un material atractivo debido a sus excelentes características, como alta conductividad eléctrica y térmica, baja toxicidad y baja viscosidad con una naturaleza fluida a temperatura ambiente.
Inspirado en el cerebro, el material pasa por oxidación y reducción en un entorno de solución, similar a como lo hacen las neuronas de nuestro cerebro. La neurona se polariza cuando la membrana plasmática interna tiene una carga negativa en comparación con el exterior, y cuando cualquier cambio la hace menos negativa, es despolarización.
Además, el material mantiene su estado líquido a temperatura ambiente. Esto facilita su oxidación para formar una capa densa de óxido de galio en la superficie del líquido. Esta capa de óxido de galio corresponde a un estado de alta resistencia eléctrica del sistema de almacenamiento y un estado de baja resistencia del galio elemental, la forma reducida del líquido.
Una alta relación de resistencia, la diferencia entre la resistencia de estos dos estados, es esencial para el rendimiento de almacenamiento de memoria.
Lograr una alta integración y escalabilidad
Cuando se trata del rendimiento, los dispositivos de almacenamiento de memoria necesitan tener muchas características, incluyendo eficiencia energética, velocidades de lectura y escritura rápidas, alta densidad de almacenamiento, retención de datos, durabilidad y confiabilidad. El problema surge al equilibrar estos aspectos mientras se maximiza la flexibilidad del dispositivo.
Así, para desarrollar un dispositivo que pueda manejar altos niveles de deformación, el equipo de investigadores utilizó un polímero estirable llamado Ecoflex como material de encapsulación.
Luego, el equipo utilizó una impresora 3D para imprimir moldes de Ecoflex. La impresión 3D o fabricación aditiva permite la producción de objetos complejos. Permite la producción de artículos que no eran posibles económicamente con la fabricación tradicional. La fabricación aditiva básicamente significa la creación de objetos tridimensionales mediante la colocación de capas de material en un diseño creado por computadora.
Debido a su rentabilidad, la impresión 3D ha hecho que la fabricación sea accesible para las masas por primera vez. Mientras que su capacidad para ofrecer flexibilidad de diseño y prototipado rápido la hace popular entre científicos e investigadores.
Así, una vez creado el dispositivo, se colocaron gotas de metal líquido a base de galio en las cavidades del molde. Para prevenir la fuga de la solución, los investigadores también utilizaron gotas de solución de hidrogel de acetato de polivinilo, que se inyectaron por separado debido a su capacidad para aumentar la relación de resistencia del dispositivo y mejorar sus propiedades mecánicas.
El tamaño de la gota de metal líquido fue significativo aquí, ya que afecta considerablemente la relación de estado de alta resistencia/estado de baja resistencia en el dispositivo. Un tamaño de gota más pequeño conduce a una relación aumentada debido al impacto amplificado de la película de óxido de la superficie. Así, cuanto más pequeño sea el tamaño de la gota, “más sensible es la respuesta de la memoria”.
Liu dijo:
“Reducir el tamaño de la gota beneficia la integración y la escalabilidad de FlexRAM, lo que hace que la memoria flexible y de alta densidad sea una opción prometedora para diversos desarrollos de ingeniería”.
Lectura, escritura y almacenamiento de datos
Ahora, cuando se trata de codificar datos, FlexRAM lo hace a través de los procesos de oxidación y reducción del metal líquido.
Así, el metal líquido a base de galio se oxida cuando se aplica un voltaje bajo. Esto le da un estado de alta resistencia de “1”. Al revertir la polaridad del voltaje, el metal líquido vuelve a su estado inicial de baja resistencia de “0”. Este proceso de conmutación reversible permite que la memoria se almacene y se borre en el dispositivo.
Para demostrar la capacidad de lectura y escritura de FlexRAM, los investigadores integraron el dispositivo en una configuración de software y hardware. Utilizando comandos de computadora, el equipo escribió una cadena de números y letras en una matriz de ocho unidades de almacenamiento de FlexRAM.
Estas letras y números se codificaron en forma de 0 y 1 y correspondieron a 1 byte de información de datos, lo que está lejos de la capacidad de memoria del consumidor.
En el siguiente paso, el equipo utilizó una técnica llamada modulación de ancho de pulso, que convirtió la señal digital de la computadora en una analógica. La técnica les permitió controlar cuidadosamente la oxidación y la reducción del metal líquido.
Luego, el equipo aplicó un voltaje de prueba de 1 voltio durante la lectura de información para medir el estado de resistencia del sistema sin cambiar el estado redox del metal. La corriente se transmite a la computadora, que convierte la señal en 0 o 1 utilizando un algoritmo. Finalmente, el mensaje codificado se muestra en una pantalla LED.
Aunque el prototipo es una memoria volátil, el principio permite el desarrollo del dispositivo en diferentes formas de memoria.
Esto se puede ver en la observación de que los datos almacenados en el dispositivo persisten incluso cuando se apaga la energía. Esto podría significar que el dispositivo tiene promesa como una forma de almacenamiento flexible y quizás más allá de la RAM. Liu señaló:
“FlexRAM podría incorporarse en sistemas de computación líquida completos, funcionando como un dispositivo lógico”.
FlexRAM también puede retener sus datos durante hasta 43,200 segundos o 12 horas en un entorno con poco o sin oxígeno. Además, el dispositivo se puede utilizar nuevamente mientras mantiene un rendimiento estable durante más de 3500 ciclos. Aunque es un buen comienzo, está lejos de lo que la memoria tradicional pero no flexible es capaz de hacer, que es en millones.
Gran potencial de aplicación
Aunque el dispositivo ha demostrado un rendimiento prometedor, su tiempo de respuesta y nivel de integración no están a la altura de los estándares comerciales. Esto significa que todavía hay necesidad de mejoras en varios frentes, incluyendo el procedimiento de fabricación, que actualmente implica llenar los materiales en secuencia.
El equipo tiene como objetivo utilizar procesos de fabricación inteligentes y automatizados, junto con tecnología de impresión y embalaje 3D.
Aún así, la tecnología es muy joven y tomará años ser completamente realizada. Sin embargo, el concepto de prueba es alentador, y este nuevo enfoque ha atraído el interés de la industria, con varios conceptos basados en líquidos que se exploran.
Una de estas investigaciones demostró hace un par de años cuando se propusieron dos nuevos conceptos de almacenamiento basados en líquidos: memoria coloidal y electrolítica, que tienen el potencial para aplicaciones de almacenamiento de alta densidad.
Nuevamente, al tomar inspiración de los avances en ciencias de la vida, se propuso que el medio de almacenamiento para hacer una matriz densa de dispositivos de acceso sea un líquido que contiene iones, moléculas o (nano-)partículas, que se pueden manipular en volúmenes más grandes para un dispositivo de acceso que es parte de una matriz densa.
IMEC, un centro de innovación y I+D en nanoelectrónica y tecnologías digitales, prevé la introducción de la memoria líquida a partir de 2030. Anticipa que con estos enfoques, la densidad de almacenamiento de bits se puede impulsar hacia el rango de 1Tbit/mm2 a un costo de proceso más bajo por mm2. También señaló que para que estas soluciones de almacenamiento sean viables para aplicaciones de línea, la tecnología debe tener un tiempo de respuesta adecuado, consumo de energía, ancho de banda (por ejemplo, 20Gb/s), resistencia al ciclado (103 ciclos de lectura/escritura) y la capacidad de retener datos durante una década.
En otro caso, hace unos años, los investigadores obtuvieron una carga de las baterías de metal líquido. Aquí, el electrolito de sal, el ánodo de metal y el cátodo estaban todos en forma líquida. En comparación con las baterías de estado sólido, las baterías de metal líquido se benefician de la difusión rápida de iones entre los electrodos, lo que significa ciclos de carga y descarga rápidos.
Además, las tensiones mecánicas son mucho menores, y elimina la necesidad de membranas y separadores, mejorando la estabilidad y la utilidad a largo plazo. La investigación estableció que las baterías de metal líquido, aunque pesadas, no son inflamables y podrían ser más adecuadas para el almacenamiento de electricidad a gran escala.
Muy recientemente, los científicos descubrieron un compuesto basado en metal líquido que permite conexiones eléctricas y mecánicas robustas entre circuitos suaves y componentes eléctricos rígidos. Los investigadores esperan que este material, llamado E-CASE, que es un adhesivo conductor eléctrico con plata y galio-indio eutéctico (EGaIn), desempeñe un papel en la electrónica, la robótica y los sensores.
Así, a medida que los investigadores abordan los desafíos y perfeccionan la tecnología, FlexRAM también puede encontrar su uso en electrónica implantable, robótica suave y sistemas de interfaz cerebro-máquina en el futuro.
Empresas de fabricación aditiva
#1. Materialise
El proveedor de servicios de impresión 3D con sede en Bélgica sirve a una variedad de industrias, incluyendo automotriz, aeroespacial y atención médica. En los últimos meses, Materialise ha entrado en varias asociaciones, incluyendo con Ricoh USA para promover el uso de modelos anatómicos impresos en 3D, con Proponent para imprimir soluciones de cabina para aviones, con Nikon SLM Solutions para desarrollar procesadores de construcción avanzados y con Ansys para simplificar la simulación para la impresión 3D.
(MTLS )
Con una capitalización de mercado de $329 millones, la acción de Materialise (MTLS:NASDAQ) ha estado negociando a $5.57, bajando un 15.16% en lo que va del año. La empresa registró un ingreso (TTM) de $272 millones y tiene un EPS (TTM) de 0.05 y un P/E (TTM) de 116.53. La empresa informó un aumento del 3.2% en sus ingresos totales a $63.6 millones con respecto al año anterior durante su informe de ganancias del tercer trimestre de 2023, mientras que su EBITDA aumentó un 55% y la ganancia neta aumentó un 184% a $4.2 millones.
#2. EOS GmbH
EOS GmbH, con sede en Alemania, es un fabricante líder de impresión 3D industrial que ha lanzado una tecnología FDR que permite la producción de detalles finos sin sacrificar la calidad. Mientras que los sistemas de la empresa permiten una solución completamente automatizada que se escala de acuerdo con las necesidades de producción.
Además de EOS GmbH y Materialise, las empresas de impresión 3D como Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs y Renishaw pueden ayudar a comercializar Liquid Metal Ram. Mientras que las empresas como Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple y Samsung pueden beneficiarse de este nuevo enfoque para los sistemas de almacenamiento.
Palabra final
La capacidad de Liquid Metal Ram para soportar casi cualquier deformación promete un gran futuro para los dispositivos electrónicos, enriqueciendo aún más nuestras vidas. Sin embargo, todavía están en una etapa temprana, y se necesita más investigación y trabajo antes de que puedan ser comercializados.
Aquí, la fabricación aditiva puede desempeñar un papel clave al permitir diseños personalizados y una mejor integración de diferentes componentes para un mejor rendimiento y confiabilidad. Además, permite la prototipación rápida, lo que permite a los investigadores y las empresas hacer mejoras rápidas mientras reducen el desperdicio, ofreciendo escalabilidad y producción bajo demanda.
