Lisävalmistus voi olla avain ‘Nestemetallisen Ram’-laitteen kaupallistamiseen

Uusi lähestymistapa tallennusjärjestelmiin, jonka ovat kehittäneet Tsinghua-yliopiston tutkijat Kiinassa, mahdollistaa joustavan muistin vaarantamatta elektronisten laitteiden suorituskykyä. Kiinan Kansallisen Luonnontieteiden Säätiön, Kiinan Postdoc-tutkimusrahaston ja Shuimu Tsinghua -stipendiohjelman rahoittamana tämä tutkimus esittelee “Nestemetallimuisti” äskettäisessä julkaisussa “Advanced Materials”.

Tallennusjärjestelmät, jotka ovat keskeisiä elektronisten laitteiden komponentteja, täytyy tulla paljon joustavammiksi, kun maailma näkee yhä kehittyneempiä kannettavia elektroniikkalaitteita, biolääketieteellisiä laitteita ja pehmeitä robotiikkaa. Näiden tietojen tallennusjärjestelmien on venyttävä, taivutettava ja kiertävä äärirajoihin vaikuttamatta kehittyvien laitteiden suorituskykyyn.

Joustavan muistin saavuttaminen on ollut haastavaa perinteisten tallennusmenetelmien rajoitusten vuoksi. Viimeisin tutkimus ehdottaa uutta tallennusperiaatteiden luokkaa, joka on inspiroitu ihmisaivojen polarisaatio- ja depolarisaatiomekanismeista.

Esittelemällä nestemetallien hapettumis- ja dehapettumiskäyttäytymistä, tiimi saavutti täysin joustavan muistin. Tutkijat hyödynsivät käännettävää elektrokemiallista hapettumista säädelläkseen kohdennettujen nestemetallien kokonaisjohtavuutta, luoden merkittävän 11‑kerran resistanssieron binäärisen tietojen tallennuksen tarpeisiin, kuten on todettu.

Parhaan tallennus suorituskyvyn saavuttamiseksi tehtiin järjestelmällisiä optimointeja useille parametreille. Konseptikokeet osoittivat muistin vakauden äärimmäisissä muodonmuutosolosuhteissa, mukaan lukien 360° kierto, 180° taivutus ja 100 % venytys. Lisätestit osoittivat paremman suorituskyvyn pienemmillä muistin yksikkökokoilla.

Tiimi totesi, että heidän tallennusjärjestelmänsä saavuttaa nopean tallennusnopeuden yli 33 Hz ja pitkän tietojen säilytyskapasiteetin yli 43 200 s, vakaalla, toistettavalla toiminnalla jopa 3500 sykliä. Nämä merkittävät suorituskykymittarit osoittavat, että “vallankumouksellinen menetelmä” voi ylittää olemassa olevien elektronisten tallennusyksiköiden sisäisen jäykkyyden rajoitukset ja raivata tietä innovatiivisille neuromorfisille laitteille.

Näin ollen nestemetallimuisti muuttaa perusteellisesti perinteisiä joustavan muistin käsitteitä, tarjoten käytännöllisiä mahdollisuuksia tuleviin sovelluksiin bio-inspiroituissa tekoälyjärjestelmissä, pehmeässä robotiikassa ja kannettavassa elektroniikassa.

Epätavallinen lähestymistapa: nestemetallin käyttö

Joustavien laitteiden kasvava käyttö tarkoittaa, että muistin muovautuvien ominaisuuksien kysyntä kasvaa, sanoi Jing Liu, Tsinghua-yliopiston biolääketieteellisen tekniikan laitoksen professori Pekingissä, haastattelussa.

Joustavaa resistiivistä RAM-laitetta kutsutaan FlexRAMiksi, ja se on kehitetty epätavallisella lähestymistavalla — nestemäisesti. Tämä nestemetallinen RAM tallentaa tietoa liuoksessa, aivan kuten aivomme, jotka koostuvat noin 70 % vedestä.

Ottamalla tämän biomimeettisen lähestymistavan, FlexRAM erottautuu nykyisistä muistijärjestelmistä, jotka ovat kiinteitä. Liu mukaan biomimeettinen lähestymistapa on samanlainen kuin “elävissä organismeissa esiintyvät vesipohjaiset toimintaympäristöt.”

Tähän mennessä olemassa olevien muistilaitteiden joustavuus on ollut rajoitettua, koska ne yleensä valmistetaan kiinnittämällä jäykkiä muistikomponentteja pehmeisiin materiaaleihin. Tämä tekee laitteista vain osittain joustavia ja johtaa kuorimiseen ja halkeiluun, kun laitetta muokataan.

FlexRAM pyrkii muuttamaan tätä käyttämällä galliumista ja indiumista koostuvaa seosta muistikomponenttina tallennuslaitteensa valmistamiseen. Gallium-pohjaiset nestemetallit ovat houkutteleva materiaali erinomaisen ominaisuuksiensa, kuten korkean sähkö- ja lämmönjohtavuuden, alhaisen toksisuuden ja alhaisen viskositeetin, sekä nestemäisen luonteen huoneenlämmössä, vuoksi.

Aivoista inspiroitunut materiaali käy läpi hapettumisen ja pelkistymisen liuosympäristössä, aivan kuten aivomme neuronit. Neuroni polarisoituu, kun solukalvo sisäpuolella on negatiivinen varaus verrattuna ulkopuoleen, ja kun jokin muutos tekee siitä vähemmän negatiivisen, kyse on depolarisaatiosta.

Lisäksi materiaali säilyttää nestemäisen tilansa huoneenlämmössä. Tämä helpottaa sen hapettumista muodostaen tiiviin galliumoksidikerroksen nestemäisen pinnalle. Tämä galliumoksidikerros vastaa tallennusjärjestelmän korkean sähköisen resistanssin tilaa, kun taas alhaisen resistanssin tila on alkuaineen gallium, nestemäisen vähennetyn muodon.

Korkea resistanssiosuhde, eli näiden kahden tilan resistanssien välinen ero, on olennaista muistin tallennus suorituskyvylle.

Korkean integroinnin ja skaalautuvuuden saavuttaminen

Kun puhutaan suorituskyvystä, muistijärjestelmien on täytettävä monia vaatimuksia, kuten energiatehokkuus, nopea luku- ja kirjoitusnopeus, korkea tallennustiheys, tietojen säilyvyys, kestävyys ja luotettavuus. Ongelma on tasapainottaa nämä näkökohdat maksimoiden laitteen joustavuus.

Siksi kehittääkseen laitteen, joka kestää suuria muodonmuutoksia, tutkijaryhmä käytti venyvää polymeeriä nimeltä Ecoflex kapselointimateriaalinaan.

Sitten tiimi käytti 3D-tulostinta Ecoflex-muottien tulostamiseen. 3D-tulostus tai lisävalmistus mahdollistaa monimutkaisten kohteiden valmistuksen. Se mahdollistaa tuotteiden valmistuksen, jotka eivät olleet taloudellisesti mahdollisia perinteisellä valmistuksella. AM tarkoittaa periaatteessa kolmiulotteisten kohteiden luomista kerrostamalla materiaalia tietokoneella suunnitellun mallin mukaisesti.

Kustannustehokkuutensa ansiosta 3D-tulostus on tehnyt valmistuksesta saavutettavampaa massoille ensimmäistä kertaa. Samalla sen kyky tarjota suunnittelun joustavuutta ja nopeaa prototypointia tekee tekniikasta suositun tutkijoiden ja tiedemiesten keskuudessa.

Kun laite oli luotu, gallium-pohjaisia nestemetallipisaroita lisättiin muottien onteloihin. Vuodon estämiseksi tutkijat käyttivät myös polyvinyyliasetaattihydrogeeliliuoksen pisaroita, jotka ruiskutettiin erikseen sen kyvyn vuoksi lisätä laitteen resistanssiosuhdetta ja parantaa sen mekaanisia ominaisuuksia.

Nestemetallipisaran koko on tässä merkittävä, koska se vaikuttaa merkittävästi korkean resistanssin tila / alhaisen resistanssin tila -suhteeseen laitteessa. Pienempi pisara johtaa suurempaan suhdelukuun, koska pinnan oksidikalvon vaikutus korostuu. Siksi mitä pienempi pisara, “mitä herkempi muistin vaste”.

Liu sanoi:

“Pienentämällä pisaran kokoa parannetaan FlexRAMin integrointia ja skaalautuvuutta, mikä tekee täysin joustavasta, korkean tiheyden muistista lupaavan vaihtoehdon monipuolisille insinöörikehityksille.”

Datan lukeminen, kirjoittaminen & tallentaminen

Kun kyse on datan koodaamisesta, FlexRAM tekee sen nestemetallin hapettumis- ja pelkistysprosesseilla. 

Toimintaperiaate on, että gallium-pohjainen nestemetalli hapettuu, kun siihen kohdistetaan alhainen jännite. Tämä antaa sille korkean resistanssin tilan “1”. Käännettäessä jännitteen polariteetti, nestemetalli palaa alkuperäiseen alhaisen resistanssin tilaansa “0”. Tämä käännettävä kytkentäprosessi mahdollistaa muistin tallentamisen ja poistamisen laitteessa.

Jotta FlexRAMin luku- ja kirjoituskykyä voitaisiin demonstroa, tutkijat integroivat laitteen ohjelmisto- ja laitteistoympäristöön. Käyttämällä tietokonekomentoja tiimi kirjoitti numerosarjan ja kirjaimia kahdeksan FlexRAM-tallennusyksikön matriisiin.

Nämä kirjaimet ja numerot koodattiin 0:n ja 1:n muotoon, mikä vastasi 1 tavua tietoa, mikä on kaukana kuluttajatasoisesta muistikapasiteetista.

Seuraavassa vaiheessa tiimi käytti tekniikkaa nimeltä pulssinleveyden modulointi, joka muunsi tietokoneen digitaalisen signaalin analogiseksi. Tekniikka mahdollisti nestemetallin hapettumisen ja pelkistymisen tarkkaan hallinnan.

Sitten tiimi käytti lyhyttä 1‑volttista testijännitettä tiedon lukemisen aikana mitatakseen järjestelmän resistanssitilan ilman, että metallin redoks-tilaa muutettiin. Virta siirretään sitten tietokoneelle, joka muuntaa signaalin 0:ksi tai 1:ksi algoritmilla. Lopuksi koodattu viesti näytetään LED-näytöllä.

Vaikka prototyyppi on haihtuva muisti, periaate mahdollistaa laitteen kehittämisen erilaisiksi muistimuodoiksi.

Tämä näkyy havainnoissa, että laitteessa tallennettu data säilyy, vaikka virta katkaistaan. Tämä voi tarkoittaa, että laitteella on potentiaalia joustavana tallennuksena ja mahdollisesti RAMin ulkopuolella. Liu totesi:

“FlexRAM voitaisiin sisällyttää kokonaisiin nestepohjaisiin laskentajärjestelmiin, toimien logiikkalaitteena.”

FlexRAM voi lisäksi säilyttää dataa jopa 43 200 sekuntia eli 12 tuntia vähäisessä tai hapettomassa ympäristössä. Lisäksi laitetta voidaan käyttää uudelleen ja uudelleen säilyttäen vakaa suorituskyky yli 3500 sykliä. Vaikka se on hyvä alku, se ei läheskään lähesty perinteisen, mutta ei-joustavan muistin mahdollisuuksia, jotka ovat miljoonia.

Laaja sovelluspotentiaali

Vaikka laite on osoittanut lupaavaa suorituskykyä, sen vasteaika ja integrointitaso eivät täytä kaupallisia standardeja. Tämä tarkoittaa, että parannuksia tarvitaan useilla osa-alueilla, mukaan lukien valmistusprosessi, joka tällä hetkellä sisältää materiaalien täyttämisen peräkkäin.

Tiimi pyrkii käyttämään älykkäitä ja automatisoituja valmistusprosesseja yhdessä 3D-ilmakuivauksella ja pakkausteknologialla.

Teknologia on kuitenkin hyvin nuori ja vaatii vuosia täyteen toteuttamiseen. Tästä huolimatta konseptin todistus on rohkaiseva, ja tämä uusi lähestymistapa on herättänyt kiinnostusta teollisuudessa, jossa tutkitaan useita nestepohjaisia konsepteja.

Yksi tällainen tutkimus esitti muutama vuosi sitten, kun kaksi uutta nestepohjaista tallennuskonseptia ehdotettiin — kolloidimuisti ja elektrolitiikkamuisti, joilla on potentiaalia äärimmäisen korkean tiheyden lähitallennussovelluksiin.

Vielä kerran, inspiroitumalla elämäntieteiden edistysaskeleista, ehdotettiin, että tiheän pääsylaitejoukon valmistamiseen käytettävä tallennusväline olisi neste, joka sisältää ioneja, molekyylejä tai (nano‑)partikkeleita, joita voidaan manipuloida suuremmissa tilavuuksissa pääsylaitejoukkoon, joka on osa tiheää matriisia.

IMEC, nanoelektroniikan ja digitaalisten teknologioiden T&K‑ ja innovaatiokeskus, ennustaa nestemuistin käyttöönottoa vuodesta 2030 alkaen. Se odottaa, että näillä lähestymistavoilla bittitiheys voidaan viedä kohti 1 Tbit/mm² tasoa alhaisemmilla prosessikustannuksilla per mm². Lisäksi se totesi, että näiden tallennusratkaisujen ollessa käyttökelpoisia lähitallennussovelluksiin, teknologian on täytettävä riittävät vasteaika, energian kulutus, kaistanleveys (esim. 20 Gb/s), sykliensietokyky (10³ luku/kirjoitus‑sykliä) ja kyky säilyttää data vuosikymmenen ajan.

Toisessa tapauksessa, vuonna 2020, tutkijat saivat varauksen nestemetalliparistoista. Tässä suolaa sisältävä elektrolyytti, metallianodi ja katodi olivat kaikki nestemäisiä. Verrattuna kiinteän tilan akkuun, nestemetalliparistot hyötyvät ionien nopeasta diffuusiosta elektrodien välillä, mikä tarkoittaa nopeita lataus‑purkaussyklejä.

Lisäksi mekaaniset rasitukset ovat paljon pienemmät, ja se poistaa kalvojen ja erottimien tarpeen samalla kun parantaa pitkän aikavälin vakautta ja käyttökelpoisuutta. Tutkimus totesi, että nestemetalliparistot, vaikka ovat raskaita, eivät ole syttyviä ja voisivat olla sopivampia suurten mittakaavojen sähkön varastointiin.

Viime aikoina tutkijat löysivät nestemetallipohjaisen komposiitin, joka mahdollistaa vahvat sähkö- ja mekaaniset yhteydet pehmeän piirin ja jäykän sähkökomponentin välillä. Tutkijat toivovat, että tämä materiaali, nimeltään E-CASE, joka on sähköjohtava liima hopealla ja eutektisellä gallium-indium (EGaIn) seoksella, näyttelee roolia elektroniikassa, robotiikassa ja antureissa.

Kun tutkijat ratkaisevat haasteita ja hiomaa teknologiaa, FlexRAM voi myös löytää käyttöä implantoitavassa elektroniikassa, pehmeässä robotiikassa ja aivo‑kone‑rajapintajärjestelmissä tulevaisuudessa.

Lisävalmistusyritykset 

#1. Materialise

Belgian perustettu 3D-tulostuspalveluiden tarjoaja palvelee useita toimialoja, kuten auto-, ilmailu- ja terveydenhuoltoa. Viime kuukausina Materialise on solminut useita kumppanuuksia, mukaan lukien Ricoh USA:n kanssa 3D-tulostettujen anatomisten mallien edistämiseksi, Proponentin kanssa lentokoneiden matkustamoratkaisujen 3D-tulostamiseksi, Nikon SLM Solutionsin kanssa kehittyneiden rakennusprosessoreiden kehittämiseksi, sekä Ansysin kanssa 3D-tulostuksen simuloinnin yksinkertaistamiseksi.

Markkina-arvolla 329 miljoonaa dollaria, Materialise‑osake (MTLS:NASDAQ) on kaupankäynnissä hintaan 5,57 $, mikä on 15,16 % lasku vuoden alusta. Yritys ilmoitti liikevaihdoksi (TTM) 272 miljoonaa dollaria ja EPS (TTM) 0,05 sekä P/E (TTM) 116,53. Yritys raportoi 3,2 % kasvun kokonaisliikevaihdossaan 63,6 miljoonaa dollaria edellisvuodesta 3Q23 tulosraportissaan, kun taas EBITDA nousi 55 % ja nettotulos kasvoi 184 % 4,2 miljoonaan dollariin.

#2. EOS GmbH

Saksassa toimiva EOS GmbH on johtava teollinen 3D-tulostusvalmistaja, joka on lanseerannut FDR‑teknologian, jonka avulla voidaan tuottaa hienoja yksityiskohtia ilman laadun heikkenemistä. Samalla yrityksen Smart Fusion -teknologia poistaa tukirakenteet, alentaa kustannuksia, minimoi materiaalinkulutuksen ja vähentää jälkikäsittelyn tarvetta. Sen uudet järjestelmät mahdollistavat täysin automatisoidun ratkaisun, joka skaalautuu tuotannon tarpeiden mukaan.

EOS GmbH:n ja Materialise:n lisäksi 3D-tulostusyritykset, kuten Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs ja Renishaw, voivat auttaa nestemetallisen Ram‑laitteen kaupallistamisessa. Samalla Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple ja Samsung voivat hyötyä tästä uudesta tallennusjärjestelmästä.

Lopullinen sana

Nestemetallisen Ram‑laitteen kyky kestää lähes mitä tahansa muodonmuutosta lupaa suuren tulevaisuuden elektronisille laitteille, rikastuttaen elämäämme entisestään. Kuitenkin ne ovat vielä varhaisessa vaiheessa, ja kaupallistamiseen tarvitaan lisää tutkimusta ja työtä.

Tässä lisävalmistus voi näytellä keskeistä roolia mahdollistamalla räätälöidyt suunnittelut ja paremman eri komponenttien integroinnin parantuneen suorituskyvyn ja luotettavuuden saavuttamiseksi. Lisäksi se mahdollistaa nopean prototypoinnin, jonka avulla tutkijat ja yritykset voivat tehdä nopeita parannuksia samalla kun vähennetään jätettä, tarjoten skaalautuvuutta ja tilauksesta tuotantoa.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken 3D-tulostusosakkeisiin (lisävalmistus) sijoittamisesta.