Fabrication additive
La fabrication additive pourrait être la clé pour commercialiser le ‘Liquid Metal Ram’
Une nouvelle approche des systèmes de stockage, réalisée par des chercheurs de l’Université Tsinghua en Chine, permet une mémoire flexible sans compromettre les performances des appareils électroniques. Financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la Fondation de sciences postdoctorales de Chine et le programme de bourses Shuimu Tsinghua, cette recherche présente la “Mémoire à métal liquide” dans une publication récente dans “Advanced Materials.”
Les systèmes de stockage, étant des composants essentiels des appareils électroniques, doivent devenir beaucoup plus flexibles à mesure que le monde voit plus d’électronique portable, de dispositifs biomédicaux et de robots mous. Ces systèmes de stockage de données doivent s’étirer, se plier et se tordre à l’extrême sans affecter les performances des appareils émergents.
La réalisation d’une mémoire flexible a été difficile en raison des limites des méthodologies de stockage conventionnelles. L’étude la plus récente propose une nouvelle classe de principes de stockage inspirés des mécanismes de polarisation et de dépolarisation du cerveau humain.
En introduisant les comportements d’oxydation et de désoxydation des métaux liquides, l’équipe a réalisé une mémoire entièrement flexible. Les chercheurs ont utilisé l’oxydation électrochimique réversible pour moduler la conductivité globale des métaux liquides ciblés, créant une différence de résistance de 11 ordres pour le stockage de données binaires, comme indiqué.
Pour obtenir les meilleures performances de stockage, des optimisations systématiques de plusieurs paramètres ont été effectuées. Des expériences conceptuelles ont montré la stabilité de la mémoire dans des scénarios de déformation extrême, notamment une torsion de 360°, une flexion de 180° et un étirement de 100%. D’autres tests ont démontré de meilleures performances avec des tailles d’unités de mémoire plus petites.
L’équipe a conclu que leur système de stockage atteint une vitesse de stockage rapide de plus de 33 Hz et une capacité de rétention de données de plus de 43200 s, avec une exploitation stable et répétitive jusqu’à 3500 cycles. Ces indicateurs de performance remarquables indiquent que la “méthode révolutionnaire” peut surmonter les limites de rigidité innées des unités de stockage électroniques existantes, tout en ouvrant la voie à des dispositifs neuromorphiques innovants.
Ainsi, la mémoire à métal liquide modifie fondamentalement les concepts traditionnels de mémoire flexible, offrant des voies pratiques pour des applications futures dans les systèmes d’intelligence artificielle bio-inspirés, les robots mous et les dispositifs électroniques portables.
Une approche non conventionnelle : utiliser un métal liquide
L’utilisation croissante de dispositifs flexibles signifie que la demande de caractéristiques déformables de la mémoire augmentera, a déclaré Jing Liu, professeur au département de génie biomédical de l’Université Tsinghua à Pékin, dans un entretien.
Le dispositif de mémoire résistive flexible est appelé FlexRAM et est développé avec une approche non conventionnelle — liquide. Ce RAM à métal liquide stocke les informations dans un environnement de solution, à peu près comme notre cerveau, qui est composé de 70 % d’eau.
En prenant cette approche biomimétique, FlexRAM se distingue des systèmes de mémoire actuels, qui sont solides. L’approche biomimétique, selon Liu, est similaire à “les environnements de travail aqueux trouvés dans les organismes vivants.”
Jusqu’à présent, la flexibilité des dispositifs de mémoire existants a été limitée car ils sont généralement créés en posant les composants de mémoire inflexibles sur des matériaux mous. Cela rend les dispositifs flexibles seulement partiellement et entraîne des décollements et des fissures lorsque le dispositif est déformé.
FlexRAM vise à changer cela en utilisant un alliage composé de gallium et d’indium comme composant de mémoire pour fabriquer leur dispositif de stockage. Les métaux liquides à base de gallium sont un matériau attrayant en raison de leurs excellentes caractéristiques, telles que une conductivité électrique et thermique élevée, une toxicité faible et une viscosité faible avec une nature fluide à température ambiante.
Inspiré par le cerveau, le matériau subit une oxydation et une réduction dans un environnement de solution, à peu près comme nos neurones. Le neurone est polarisé lorsque la membrane plasmique à l’intérieur a une charge négative par rapport à l’extérieur, et lorsque des changements le rendent moins négatif, c’est la dépolarisation.
De plus, le matériau maintient son état liquide à température ambiante. Cela facilite leur oxydation pour former une couche dense d’oxyde de gallium à la surface du liquide. Cette couche d’oxyde de gallium correspond à un état de résistance électrique élevée du système de stockage et à un état de résistance faible du gallium élémentaire, la forme réduite du liquide.
Un rapport de résistance élevé, la différence entre la résistance de ces deux états, est essentiel pour les performances de stockage de la mémoire.
Atteindre une intégration et une scalabilité élevées
Lorsqu’il s’agit de performances, les dispositifs de stockage de mémoire doivent avoir de nombreuses caractéristiques, notamment l’efficacité énergétique, des vitesses de lecture et d’écriture rapides, une densité de stockage élevée, une rétention de données, une durabilité et une fiabilité. Le problème vient de trouver un équilibre entre ces aspects tout en maximisant la flexibilité du dispositif.
Ainsi, pour développer un dispositif capable de gérer des niveaux élevés de déformation, l’équipe de chercheurs a utilisé un polymère extensible appelé Ecoflex comme matériau d’encapsulation.
Ensuite, l’équipe a utilisé une imprimante 3D pour imprimer des moules Ecoflex. L’impression 3D ou la fabrication additive permet la production d’objets complexes. Elle permet la production d’articles qui n’étaient pas possibles économiquement avec la fabrication traditionnelle. La FA signifie essentiellement la création d’objets tridimensionnels en mettant en couches des matériaux dans un design créé par ordinateur.
En raison de son rentabilité, l’impression 3D a rendu la fabrication accessible à la masse pour la première fois. Pendant ce temps, sa capacité à offrir une flexibilité de conception et une prototypage rapide la rend populaire parmi les scientifiques et les chercheurs.
Ainsi, une fois le dispositif créé, des gouttes de métal liquide à base de gallium ont été placées dans les cavités du moule. Pour empêcher les fuites de solution, les chercheurs ont également utilisé des gouttes de solution d’hydrogel d’acétate de polyvinyle, qui ont été injectées séparément en raison de leur capacité à augmenter le rapport de résistance du dispositif et à améliorer ses propriétés mécaniques.
La taille de la goutte de métal liquide était importante ici car elle affecte considérablement le rapport d’état de résistance élevée/état de résistance faible dans le dispositif. Une taille de goutte plus petite entraîne un rapport plus élevé en raison de l’impact amplifié du film d’oxyde de surface. Ainsi, plus la taille de la goutte est petite, “plus la réponse de la mémoire est sensible”.
Liu a déclaré :
“La réduction de la taille de la goutte bénéficie à l’intégration et à la scalabilité de FlexRAM, ce qui rend la mémoire flexible et à haute densité une option prometteuse pour divers développements d’ingénierie.”
Lecture, écriture et stockage de données
Maintenant, lorsqu’il s’agit de coder des données, FlexRAM le fait à travers les processus d’oxydation et de réduction du métal liquide.
Ainsi, le métal liquide à base de gallium s’oxyde lorsqu’une basse tension est appliquée. Cela lui donne un état de résistance élevée de “1”. En inversant la polarité de la tension, le métal liquide revient à son état initial de résistance faible de “0”. Ce processus de commutation réversible permet à la mémoire d’être stockée et effacée dans le dispositif.
Pour démontrer la capacité de lecture et d’écriture de FlexRAM, les chercheurs ont intégré le dispositif dans un ensemble de logiciels et de matériel. En utilisant des commandes informatiques, l’équipe a écrit une chaîne de chiffres et de lettres sur un ensemble de huit unités de stockage FlexRAM.
Ces lettres et chiffres ont été codés sous forme de 0 et de 1 et correspondent à 1 octet d’informations de données, ce qui est loin de la capacité de mémoire des consommateurs.
Dans l’étape suivante, l’équipe a utilisé une technique appelée modulation de largeur d’impulsion, qui a converti le signal numérique de l’ordinateur en un signal analogique. La technique a permis de contrôler soigneusement l’oxydation et la réduction du métal liquide.
Ensuite, l’équipe a appliqué une tension de test de 1 volt pendant la lecture des informations pour mesurer l’état de résistance du système sans modifier l’état redox du métal. Le courant est ensuite transmis à l’ordinateur, qui convertit le signal en 0 ou 1 à l’aide d’un algorithme. Enfin, le message codé est affiché sur un écran à LED.
Bien que le prototype soit une mémoire volatile, le principe permet le développement du dispositif sous différentes formes de mémoire.
Cela peut être vu dans l’observation que les données stockées dans le dispositif persistent même lorsque l’alimentation est coupée. Cela pourrait signifier que le dispositif a du potentiel en tant que forme de stockage flexible et peut-être au-delà de la RAM. Liu a noté :
“FlexRAM pourrait être intégré dans des systèmes de calcul entièrement basés sur des liquides, en fonctionnant comme un dispositif logique.”
FlexRAM peut conserver ses données pendant jusqu’à 43 200 secondes ou 12 heures dans un environnement à faible oxygène ou sans oxygène. De plus, le dispositif peut être utilisé à nouveau et à nouveau tout en maintenant une performance stable pendant plus de 3500 cycles. Même si c’est un bon début, cela n’approche pas de ce que la mémoire traditionnelle mais non flexible est capable de faire, qui est de millions.
Un potentiel d’application vaste
Bien que le dispositif ait démontré des performances prometteuses, son temps de réponse et son niveau d’intégration ne sont pas aux normes commerciales. Cela signifie qu’il y a encore un besoin d’améliorations sur plusieurs fronts, notamment la procédure de fabrication, qui implique actuellement le remplissage des matériaux dans une séquence.
L’équipe vise à utiliser des processus de fabrication intelligents et automatisés ainsi que la technologie d’impression et d’emballage 3D aéroportée.
Cependant, la technologie est très jeune et prendra des années pour être pleinement réalisée. Ayant dit cela, la preuve de concept est encourageante, et cette nouvelle approche a suscité l’intérêt de l’industrie avec plusieurs concepts basés sur des liquides explorés.
Une telle recherche a été démontrée il y a quelques années, lorsque deux nouveaux concepts de stockage basés sur des liquides ont été proposés — la mémoire colloïdale et la mémoire électrolithique, qui ont un potentiel pour des applications de stockage à haute densité.
Encore une fois, en s’inspirant des progrès des sciences de la vie, le milieu de stockage pour la création d’un dense réseau de dispositifs d’accès a été proposé pour être un liquide contenant des ions, des molécules ou des (nano-)particules, qui peuvent être manipulés dans des volumes plus importants pour un dispositif d’accès qui fait partie d’un réseau dense.
IMEC, un centre de recherche et d’innovation dans les nanotechnologies et les technologies numériques, prévoit l’introduction de la mémoire liquide à partir de 2030. Il anticipe que, avec ces approches, la densité de stockage de bits peut être poussée vers la plage de 1 Tbit/mm2 à un coût de processus inférieur par mm2. Il a également noté que, pour que ces solutions de stockage soient viables pour les applications en ligne, la technologie doit avoir un temps de réponse approprié, une consommation d’énergie, une bande passante (par exemple, 20 Gb/s), une endurance de cycle (103 cycles de lecture/écriture) et la capacité de conserver les données pendant une décennie.
Dans un autre cas, en 2020, des chercheurs ont obtenu une charge à partir de batteries au métal liquide. Ici, l’électrolyte de sel, l’anode de métal et la cathode étaient tous sous forme liquide. Par rapport aux batteries à l’état solide, les batteries au métal liquide bénéficient d’une diffusion rapide des ions entre les électrodes, ce qui signifie des cycles de charge-décharge rapides.
De plus, les contraintes mécaniques sont beaucoup moins importantes, et cela élimine le besoin de membranes et de séparateurs tout en améliorant la stabilité et l’utilité à long terme. La recherche a indiqué que les batteries au métal liquide, bien que lourdes, sont non inflammables et pourraient être plus adaptées au stockage d’électricité à grande échelle.
Plus récemment, des scientifiques ont découvert un composite à base de métal liquide qui permet des connexions électriques et mécaniques robustes entre les circuits souples et les composants électriques rigides. Les chercheurs espèrent que ce matériau, appelé E-CASE, qui est un adhésif conducteur électriquement avec de l’argent et de l’indium-gallium eutectique (EGaIn), jouera un rôle dans l’électronique, la robotique et les capteurs.
Ainsi, à mesure que les chercheurs résolvent les défis et affinent la technologie, FlexRAM peut également trouver son utilisation dans les dispositifs électroniques implantables, les robots mous et les systèmes d’interface cerveau-machine à l’avenir.
Sociétés de fabrication additive
#1. Materialise
Le fournisseur de services d’impression 3D basé en Belgique sert une gamme d’industries, notamment l’automobile, l’aérospatiale et les soins de santé. Au cours des derniers mois, Materialise a conclu plusieurs partenariats, notamment avec Ricoh USA pour promouvoir l’utilisation de modèles anatomiques imprimés en 3D, avec Proponent pour imprimer des solutions de cabine pour les avions, avec Nikon SLM Solutions pour développer des processeurs de construction avancés et avec Ansys pour simplifier la simulation pour l’impression 3D.
(MTLS )
Avec une capitalisation boursière de 329 millions de dollars, l’action de Materialise (MTLS : NASDAQ) a été négociée à 5,57 dollars, en baisse de 15,16 % sur l’année. La société a enregistré un chiffre d’affaires (TTM) de 272 millions de dollars et a un BPA (TTM) de 0,05 et un ratio cours/bénéfice (TTM) de 116,53. La société a rapporté une augmentation de 3,2 % de son chiffre d’affaires total à 63,6 millions de dollars par rapport à l’année précédente lors de son rapport financier du 3Q23, tandis que son EBITDA a augmenté de 55 % et son bénéfice net a augmenté de 184 % pour atteindre 4,2 millions de dollars.
#2. EOS GmbH
EOS GmbH, basé en Allemagne, est un fabricant leader d’impression 3D industrielle qui a lancé une technologie FDR qui permet la production de détails fins sans sacrifier la qualité. Pendant ce temps, la technologie Smart Fusion de l’entreprise élimine les structures de support, réduit les coûts, minimise l’utilisation des matériaux et réduit les exigences de post-traitement. Ses nouveaux systèmes permettent également une solution entièrement automatisée qui s’adapte aux besoins de production.
En plus d’EOS GmbH et de Materialise, les sociétés d’impression 3D telles que Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs et Renishaw peuvent aider à commercialiser le Liquid Metal Ram. Pendant ce temps, des sociétés comme Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple et Samsung peuvent bénéficier de cette nouvelle approche des systèmes de stockage.
Mot de la fin
La capacité de Liquid Metal Ram à résister à presque toute déformation promet un grand avenir pour les appareils électroniques, enrichissant encore notre vie. Cependant, ils sont encore à un stade précoce, et davantage de recherches et de travail sont nécessaires avant qu’ils puissent être commercialisés.
Ici, la fabrication additive peut jouer un rôle clé en permettant des conceptions personnalisées et une meilleure intégration de différents composants pour améliorer les performances et la fiabilité. De plus, elle permet un prototypage rapide, permettant aux chercheurs et aux entreprises de faire des améliorations rapides tout en réduisant les déchets, offrant une scalabilité et une production sur demande.
