Fabricación aditiva
La fabricación aditiva podría ser clave para comercializar el ‘Ram de metal líquido’
Un nuevo enfoque para los sistemas de almacenamiento, logrado por investigadores de la Universidad de 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 China de Ciencia Postdoctoral y el Programa de Becas Shuimu Tsinghua,esta investigación introduce la “Memoria de Metal Líquido” en una reciente publicación en “Advanced Materials”.
Los sistemas de almacenamiento, como componentes vitales de los dispositivos electrónicos, deben volverse mucho más flexibles a medida que el mundo ve más dispositivos portátiles avanzados, dispositivos biomédicos y robótica blanda. Estos sistemas de almacenamiento de datos deben estirarse, doblarse y torcerse a 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 los comportamientos de oxidación y desoxidación de metales líquidos, el equipo logró una memoria totalmente flexible. Los investigadores utilizaron oxidación electroquímica reversible para modular la conductividad total de los metales líquidos objetivo, creando una diferencia de resistencia de 11 órdenes de magnitud para el almacenamiento binario de datos, como se señaló.
Para obtener el mejor rendimiento de almacenamiento, se realizaron optimizaciones sistemáticas de múltiples parámetros. Los experimentos conceptuales mostraron estabilidad de la memoria en escenarios de deformación extrema, incluidos giros de 360°, flexiones de 180° y estiramientos del 100%. Pruebas adicionales demostraron un mejor rendimiento con tamaños de unidad más pequeños de la memoria.
El equipo concluyó que su sistema de almacenamiento alcanza una velocidad de escritura de más de 33 Hz y una capacidad de retención de datos de más de 43 200 s, con operación estable y repetible hasta 3 500 ciclos. Estas métricas de rendimiento notables indican que el “método revolucionario” puede superar las limitaciones de rigidez innata de las unidades de almacenamiento electrónico existentes mientras 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 futuras aplicaciones en sistemas de inteligencia artificial bio‑inspirados, robótica blanda y electrónica portátil.
Un enfoque no convencional: Uso de un metal líquido
El uso creciente de dispositivos flexibles significa que la demanda de características deformables de la memoria crecerá, dijo Jing Liu, profesora del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Tsinghua en Pekín, en una entrevista.
El dispositivo de RAM resistiva flexible se denomina FlexRAM y se desarrolló con un enfoque no convencional: el líquido. Esta RAM de metal líquido almacena información en un entorno de solución, al igual que nuestro cerebro, que está compuesto aproximadamente por un 70 % de agua.
Al adoptar 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 acuosos de trabajo 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 depositando los componentes de memoria inflexibles sobre materiales blandos. Esto hace que los dispositivos sean solo parcialmente flexibles y conduce a desprendimientos y grietas cuando el dispositivo se deforma.
FlexRAM pretende cambiar esto utilizando una aleación compuesta de galio e indio como componente de memoria para fabricar su dispositivo de almacenamiento. Los metales líquidos basados en 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 por el cerebro, el material pasa por oxidación y reducción en un entorno de solución, al igual que nuestras neuronas cerebrales. 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, eso es despolarización.
Además, el material mantiene su estado líquido a temperatura ambiente. Esto facilita su oxidación para formar una densa capa 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 a 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 del almacenamiento de memoria.
Logrando alta integración y escalabilidad
En cuanto al rendimiento, los dispositivos de almacenamiento de memoria necesitan poseer muchas características, incluyendo eficiencia energética, velocidades rápidas de lectura y escritura, alta densidad de almacenamiento, retención de datos, durabilidad y fiabilidad. El problema surge al intentar equilibrar estos aspectos mientras se maximiza la flexibilidad del dispositivo.
Por lo tanto, para desarrollar un dispositivo que pueda manejar altos niveles de deformación, el equipo de investigadores utilizó un polímero extensible llamado Ecoflex como material de encapsulado.
Luego, el equipo utilizó una impresora 3D para imprimir moldes de Ecoflex. Impresión 3D o fabricación aditiva permite la producción de objetos complejos. Permite la fabricación de artículos que no eran posibles económicamente con la manufactura tradicional. AM básicamente significa crear objetos tridimensionales colocando 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 tanto, su capacidad para ofrecer flexibilidad de diseño y prototipado rápido hace que esta técnica sea popular entre científicos e investigadores.
Así, una vez creado el dispositivo, se introdujeron gotas del metal líquido basado en galio en las cavidades del molde. Para evitar la fuga de la solución, los investigadores también usaron gotas de la solución de hidrogel de acetato de polivinilo, que se inyectó 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 era significativo aquí, ya que afecta considerablemente la relación entre el estado de alta resistencia y el de baja resistencia en el dispositivo. Un tamaño de gota más pequeño conduce a una mayor relación debido al impacto amplificado de la película de óxido superficial. Por lo tanto, cuanto más pequeña sea la gota, “más sensible será la respuesta de la memoria”.
Liu dijo:
“Reducir el tamaño de la gota beneficia la integración y escalabilidad de FlexRAM, haciendo que la memoria totalmente 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 funcionamiento es que el metal líquido basado en galio se oxida cuando se aplica un bajo voltaje. Esto le otorga un estado de alta resistencia de “1”. Al invertir 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. Mediante comandos informáticos, el equipo escribió una cadena de números y letras en una matriz de ocho unidades de almacenamiento FlexRAM.
Estas letras y números se codificaron en forma de 0 y 1 y correspondieron a 1 byte de información de datos, lo cual está lejos de la capacidad de memoria de nivel de consumo.
En el siguiente paso, el equipo utilizó una técnica llamada modulación por ancho de pulso, que convirtió la señal digital del ordenador en una señal analógica. La técnica les permitió controlar cuidadosamente la oxidación y reducción del metal líquido.
Luego, el equipo aplicó un breve voltaje de prueba de 1 V durante la lectura de información para medir el estado de resistencia del sistema sin modificar el estado redox del metal. La corriente se transmite al ordenador, que convierte la señal en 0 o 1 mediante 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 observar en la constatación de que los datos almacenados en el dispositivo persisten incluso cuando se corta la energía. Esto podría significar que el dispositivo tiene potencial como forma de almacenamiento flexible y quizá más allá de la RAM. Liu señaló:
“FlexRAM podría incorporarse a sistemas informáticos totalmente basados en líquidos, funcionando como un dispositivo lógico.”
FlexRAM puede retener sus datos hasta 43 200 segundos o 12 horas en un entorno con bajo o nulo oxígeno. Además, el dispositivo puede reutilizarse una y otra vez manteniendo un rendimiento estable durante más de 3 500 ciclos. Aunque es un buen comienzo, está lejos de lo que la memoria tradicional no flexible puede lograr, que se mide en millones.
Gran potencial de aplicación
Si bien el dispositivo ha demostrado un rendimiento prometedor, su tiempo de respuesta y nivel de integración no alcanzan los estándares comerciales. Esto significa que aún se necesita mejorar en varios frentes, incluido el proceso de fabricación, que, por ahora, implica rellenar los materiales en secuencia.
El equipo pretende utilizar procesos de fabricación inteligentes y automatizados junto con impresión 3D aérea y tecnología de empaquetado.
Aún así, la tecnología es muy joven y tomará años para estar completamente realizada. Dicho esto, la prueba de concepto es alentadora, y este nuevo enfoque ha atraído el interés de la industria con varios conceptos basados en líquidos que se están explorando.
Una investigación de este tipo demostró hace un par de años cuando se propusieron dos nuevos conceptos de almacenamiento basados en líquidos — memoria coloidal y memoria electrolítica — que tienen el potencial para aplicaciones de almacenamiento nearline de densidad extremadamente alta.
Nuevamente, al inspirarse en los avances de las ciencias de la vida, se propuso que el medio de almacenamiento para crear una matriz densa de dispositivos de acceso fuera un líquido que contuviera iones, moléculas o (nano)partículas, que pueden manipularse en volúmenes mayores para un dispositivo de acceso que forma parte de una matriz densa.
IMEC, un centro de I+D e innovación 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 puede acercarse al rango de 1 Tbit/mm² a un menor costo de proceso por mm². También señaló que, para que estas soluciones de almacenamiento sean viables para aplicaciones nearline, la tecnología debe contar con un tiempo de respuesta adecuado, consumo energético, ancho de banda (p. ej., 20 Gb/s), resistencia al ciclado (10³ ciclos de lectura/escritura) y la capacidad de retener datos durante una década.
En otro ejemplo, en 2020, los investigadores obtuvieron carga de baterías de metal líquido. Aquí, el electrolito salino, el ánodo metálico 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 rápida difusión de iones entre electrodos, lo que implica ciclos de carga‑descarga rápidos.
Además, los esfuerzos mecánicos son mucho menores, y elimina la necesidad de membranas y separadores mientras mejora la estabilidad y utilidad a largo plazo. La investigación indicó que, aunque las baterías de metal líquido son pesadas, no son inflamables y podrían ser más adecuadas para el almacenamiento de electricidad a gran escala.
Más recientemente, científicos descubrieron un compuesto basado en metal líquido que permite conexiones eléctricas y mecánicas robustas entre circuitos blandos y componentes eléctricos rígidos. Los investigadores esperan que este material, llamado E-CASE, que es un adhesivo conductivo eléctrico con plata y galio‑indio eutéctico (EGaIn), juegue un papel en electrónica, robótica y sensores.
Así, a medida que los investigadores aborden los desafíos y refinen la tecnología, FlexRAM también podrá encontrar su uso en electrónica implantable, robótica blanda y sistemas de interfaz cerebro‑máquina en el futuro.
Empresas de fabricación aditiva
#1. Materialise
El proveedor belga de servicios de impresión 3D atiende a una variedad de industrias, incluidas la automotriz, aeroespacial y la atención sanitaria. En los últimos meses, Materialise ha establecido varias asociaciones, entre ellas 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 de dólares, la acción de Materialise (MTLS:NASDAQ) se cotiza a 5,57 $, con una caída del 15,16 % en lo que va del año. La compañía reportó ingresos (TTM) de 272 millones de dólares y tiene un BPA (TTM) de 0,05 y un PER (TTM) de 116,53. La empresa informó un aumento del 3,2 % en sus ingresos totales a 63,6 millones de dólares respecto al año anterior durante su informe de ganancias del 3T23, mientras que su EBITDA subió un 55 % y la utilidad neta aumentó un 184 % a 4,2 millones de dólares.
#2. EOS GmbH
La empresa alemana EOS GmbH 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 tanto, la tecnología Smart Fusion de la compañía elimina estructuras de soporte, reduce costos, minimiza el uso de material y disminuye los requerimientos de post‑procesamiento. Sus nuevos sistemas permiten además una solución totalmente automatizada que escala de acuerdo con las necesidades de producción.
Además de EOS GmbH y Materialise, empresas de impresión 3D como Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs y Renishaw pueden ayudar a comercializar el Ram de metal líquido. Mientras tanto, compañías 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 del Ram de metal líquido para soportar casi cualquier deformación promete un gran futuro para los dispositivos electrónicos, enriqueciendo aún más nuestras vidas. Sin embargo, todavía se encuentran en una etapa temprana, y se necesita más investigación y trabajo antes de que puedan comercializarse.
Aquí, la fabricación aditiva puede desempeñar un papel clave al permitir diseños personalizados y una mejor integración de diferentes componentes para mejorar el rendimiento y la fiabilidad. Además, permite el prototipado rápido, lo que posibilita a investigadores y empresas realizar mejoras rápidas mientras se reduce el desperdicio, ofreciendo escalabilidad y producción bajo demanda.
