योगात्मक विनिर्माण
ऐडिटिव मैन्युफैक्चरिंग ‘लिक्विड मेटल राम’ के व्यावसायीकरण में प्रमुख हो सकता है
चीन के त्सिंगहुआ विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित एक नई स्टोरेज प्रणाली का दृष्टिकोण इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के प्रदर्शन को प्रभावित किए बिना लचीली मेमोरी की अनुमति देता है। राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान निधि, चीन पोस्टडॉक्टरल विज्ञान निधि, और शुईमु त्सिंगहुआ स्कॉलरशिप प्रोग्राम द्वारा वित्त पोषित, यह शोध एक हालिया “Advanced Materials” प्रकाशन में “Liquid Metal Memory” प्रस्तुत करता है।
स्टोरेज सिस्टम, जो इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के महत्वपूर्ण घटक हैं, को अधिक उन्नत पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स, बायोमेडिकल डिवाइस और सॉफ्ट रोबोटिक्स के बढ़ते उपयोग के साथ बहुत अधिक लचीला बनना चाहिए। इन डेटा स्टोरेज सिस्टम को अत्यधिक खिंचाव, मोड़ और मोड़ को सहन करना होगा बिना उभरते उपकरणों के प्रदर्शन को प्रभावित किए।
परम्परागत स्टोरेज पद्धतियों की सीमाओं के कारण लचीली मेमोरी हासिल करना चुनौतीपूर्ण रहा है। नवीनतम अध्ययन मानव मस्तिष्क की ध्रुवीकरण और डीध्रुवीकरण तंत्रों से प्रेरित एक नई वर्ग की स्टोरेज सिद्धांतों का प्रस्ताव करता है।
तरल धातुएँ के ऑक्सीकरण और डीऑक्सीकरण व्यवहार को पेश करके, टीम ने पूरी तरह लचीली मेमोरी हासिल की। शोधकर्ताओं ने रिवर्सिबल इलेक्ट्रोकेमिकल ऑक्सीकरण का उपयोग करके लक्ष्य तरल धातुओं की समग्र चालकता को मोड्यूलेट किया, जिससे द्विआधारी डेटा स्टोरेज के लिए 11‑ऑर्डर प्रतिरोध अंतर उत्पन्न हुआ, जैसा कि उल्लेख किया गया है।
सर्वोत्तम स्टोरेज प्रदर्शन प्राप्त करने के लिए कई पैरामीटरों का व्यवस्थित अनुकूलन किया गया। अवधारणात्मक प्रयोगों ने 360° मोड़, 180° मोड़ और 100% खिंचाव सहित अत्यधिक विकृति परिदृश्यों में मेमोरी स्थिरता दिखाई। आगे के परीक्षणों ने छोटे इकाई आकारों के साथ बेहतर प्रदर्शन दर्शाया।
टीम ने निष्कर्ष निकाला कि उनका स्टोरेज सिस्टम 33 Hz से अधिक की तेज़ स्टोरेज गति और 43200 सेकंड से अधिक की लंबी डेटा रिटेंशन क्षमता प्राप्त करता है, साथ ही 3500 चक्रों तक स्थिर, दोहराने योग्य संचालन करता है। ये उल्लेखनीय प्रदर्शन मेट्रिक्स दर्शाते हैं कि “ग्राउंडब्रेकिंग मेथड” मौजूदा इलेक्ट्रॉनिक स्टोरेज इकाइयों की अंतर्निहित कठोरता सीमाओं को पार कर सकता है और नवाचारी न्यूरोमोर्फिक डिवाइसों के लिए मार्ग प्रशस्त कर सकता है।
इस प्रकार, लिक्विड मेटल मेमोरी पारंपरिक लचीली मेमोरी की अवधारणाओं को मूल रूप से बदलती है, बायो‑प्रेरित कृत्रिम बुद्धिमत्ता सिस्टम, सॉफ्ट रोबोटिक्स और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में भविष्य के अनुप्रयोगों के लिए व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है।
एक अपरंपरागत दृष्टिकोण: लिक्विड मेटल का उपयोग
लचीले उपकरणों के बढ़ते उपयोग के कारण मेमोरी की विकृतियों योग्य विशेषताओं की मांग बढ़ेगी, यह बात बीजिंग के त्सिंगहुआ विश्वविद्यालय के बायोमेडिकल इंजीनियरिंग विभाग के प्रोफेसर जिंग लियू ने एक साक्षात्कार में कहा।
लचीला रेजिस्टिव RAM डिवाइस को FlexRAM कहा जाता है और इसे एक अपरंपरागत दृष्टिकोण — तरल — के साथ विकसित किया गया है। यह लिक्विड मेटल RAM जानकारी को एक घोल वातावरण में संग्रहीत करता है, बिलकुल उसी तरह जैसे हमारा मस्तिष्क, जो लगभग 70 % पानी से बना है।
इस बायोमिमेटिक दृष्टिकोण को अपनाकर, FlexRAM वर्तमान में ठोस मेमोरी सिस्टम से अलग खड़ा है। लियू के अनुसार बायोमिमेटिक दृष्टिकोण “जीवित जीवों के भीतर पाए जाने वाले जलीय कार्य वातावरण” के समान है।
अब तक मौजूदा मेमोरी डिवाइस की लचीलापन सीमित रहा है क्योंकि वे आमतौर पर कठोर मेमोरी घटकों को नरम सामग्री पर लेयर करके बनाए जाते हैं। इससे डिवाइस केवल आंशिक रूप से लचीला बनता है और विकृति के समय छिलने और दरारें पड़ने की समस्या आती है।
FlexRAM इसको बदलने के लिए गैलियम और इंडियम से बना एक मिश्रधातु को मेमोरी घटक के रूप में उपयोग करता है। गैलियम‑आधारित लिक्विड मेटल अपनी उत्कृष्ट विशेषताओं जैसे उच्च विद्युत और थर्मल कंडक्टिविटी, कम विषाक्तता और कम विस्कोसिटी के कारण आकर्षक सामग्री है, जो कमरे के तापमान पर तरल रूप में रहती है।
मस्तिष्क से प्रेरित होकर, यह सामग्री घोल वातावरण में ऑक्सीकरण और रिडक्शन से गुजरती है, बिलकुल हमारे मस्तिष्क के न्यूरॉन्स की तरह। जब प्लाज़्मा मेम्ब्रेन के अंदर का चार्ज बाहर की तुलना में नकारात्मक होता है तो न्यूरॉन ध्रुवीकृत होता है, और जब कोई परिवर्तन इसे कम नकारात्मक बनाता है, तो वह डीध्रुवीकरण कहलाता है।
इसके अतिरिक्त, यह सामग्री कमरे के तापमान पर तरल अवस्था बनाए रखती है। यह ऑक्सीकरण को सुविधाजनक बनाता है जिससे तरल की सतह पर एक घना गैलियम ऑक्साइड परत बनती है। यह गैलियम ऑक्साइड परत स्टोरेज सिस्टम की उच्च प्रतिरोध अवस्था और घटित रूप में मौलिक गैलियम की कम‑प्रतिरोध अवस्था के अनुरूप होती है।
एक उच्च प्रतिरोध अनुपात, अर्थात् इन दो अवस्थाओं के प्रतिरोध के बीच का अंतर, मेमोरी स्टोरेज प्रदर्शन के लिए आवश्यक है।
उच्च एकीकरण और स्केलेबिलिटी प्राप्त करना
प्रदर्शन की बात आए तो मेमोरी स्टोरेज डिवाइस को ऊर्जा दक्षता, तेज़ पढ़ने‑लिखने की गति, उच्च स्टोरेज घनत्व, डेटा रिटेंशन, टिकाऊपन और विश्वसनीयता सहित कई विशेषताओं की आवश्यकता होती है। इन पहलुओं के बीच संतुलन बनाते हुए डिवाइस की लचीलापन को अधिकतम करना ही चुनौती है।
इसलिए, उच्च स्तर की विकृति को संभालने वाले डिवाइस को विकसित करने के लिए शोधकर्ताओं ने Ecoflex नामक एक स्ट्रेचेबल पॉलिमर को एन्कैप्सुलेशन सामग्री के रूप में उपयोग किया।
फिर टीम ने Ecoflex के सांचे प्रिंट करने के लिए एक 3D प्रिंटर का उपयोग किया। 3D प्रिंटिंग या एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग जटिल वस्तुओं के उत्पादन को सक्षम बनाता है। यह ऐसी वस्तुओं के निर्माण की अनुमति देता है जो पारंपरिक निर्माण के साथ आर्थिक रूप से संभव नहीं थीं। एएम मूलतः कंप्यूटर‑निर्मित डिजाइन में सामग्री की परतें जोड़कर त्रि‑आयामी वस्तुएँ बनाता है।
अपनी लागत‑प्रभावशीलता के कारण, 3D प्रिंटिंग ने पहली बार निर्माण को आम जनता के लिए सुलभ बना दिया है। साथ ही, डिज़ाइन लचीलापन और तेज़ प्रोटोटाइपिंग की क्षमता ने इस तकनीक को वैज्ञानिकों और शोधकर्ताओं में लोकप्रिय बना दिया है।
डिवाइस बन जाने के बाद, गैलियम‑आधारित लिक्विड मेटल की बूंदें सांचे के छिद्रों में डाली गईं। समाधान के रिसाव को रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने पॉलीविनाइल एसीटेट हाइड्रोजेल समाधान की भी बूंदें उपयोग कीं, जिन्हें अलग‑अलग इंजेक्ट किया गया क्योंकि यह डिवाइस के प्रतिरोध अनुपात को बढ़ाने और उसकी यांत्रिक गुणों को सुधारने में सक्षम है।
लिक्विड मेटल की बूंद का आकार यहाँ महत्वपूर्ण था क्योंकि यह डिवाइस में उच्च‑प्रतिरोध अवस्था/निम्न‑प्रतिरोध अवस्था अनुपात को काफी हद तक प्रभावित करता है। छोटी बूंद आकार से सतह ऑक्साइड फिल्म के प्रभाव के कारण अनुपात बढ़ता है। इसलिए, जितनी छोटी बूंद, “मेमोरी प्रतिक्रिया उतनी ही संवेदनशील”।
लियू ने कहा:
“बूंद आकार को कम करने से FlexRAM का एकीकरण और स्केलेबिलिटी लाभान्वित होती है, जिससे पूरी तरह लचीली, उच्च‑घनत्व मेमोरी विभिन्न इंजीनियरिंग विकासों के लिए एक आशाजनक विकल्प बनती है।”
डेटा पढ़ना, लिखना और संग्रहीत करना
अब, डेटा एन्कोड करने की बात आए तो FlexRAM यह प्रक्रिया लिक्विड मेटल के ऑक्सीकरण और रिडक्शन के माध्यम से करता है।
यह इस प्रकार कार्य करता है कि जब कम वोल्टेज लागू किया जाता है तो गैलियम‑आधारित लिक्विड मेटल ऑक्सीकरण हो जाता है, जिससे इसे “1” की उच्च‑प्रतिरोध अवस्था मिलती है। वोल्टेज ध्रुवता को उलटने पर लिक्विड मेटल अपनी प्रारंभिक “0” की निम्न‑प्रतिरोध अवस्था में वापस आ जाता है। यह रिवर्सिबल स्विचिंग प्रक्रिया डिवाइस में मेमोरी को संग्रहीत और मिटाने की अनुमति देती है।
FlexRAM की पढ़ने‑लिखने की क्षमता प्रदर्शित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने डिवाइस को सॉफ़्टवेयर और हार्डवेयर सेटअप में एकीकृत किया। कंप्यूटर कमांड का उपयोग करके, टीम ने आठ FlexRAM स्टोरेज इकाइयों की एक एरे पर संख्याओं और अक्षरों की एक स्ट्रिंग लिखी।
इन अक्षरों और संख्याओं को 0 और 1 के रूप में एन्कोड किया गया और यह 1 बाइट डेटा सूचना के बराबर था, जो उपभोक्ता‑ग्रेड मेमोरी क्षमता से बहुत दूर है।
अगले चरण में, टीम ने “पल्स‑विड्थ मॉड्यूलेशन” नामक तकनीक का उपयोग किया, जिसने कंप्यूटर से डिजिटल सिग्नल को एनालॉग में बदल दिया। इस तकनीक ने उन्हें लिक्विड मेटल के ऑक्सीकरण और रिडक्शन को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करने की अनुमति दी।
फिर टीम ने जानकारी पढ़ते समय एक छोटा 1‑वोल्ट टेस्ट वोल्टेज लागू किया ताकि धातु की रेडॉक्स अवस्था को बदले बिना सिस्टम की प्रतिरोध अवस्था को मापा जा सके। इस धारा को कंप्यूटर को भेजा गया, जो एल्गोरिदम के माध्यम से सिग्नल को 0 या 1 में बदलता है। अंत में एन्कोडेड संदेश को एक LED स्क्रीन पर प्रदर्शित किया गया।
हालांकि प्रोटोटाइप एक वोलैटाइल मेमोरी है, यह सिद्धांत डिवाइस को विभिन्न प्रकार की मेमोरी में विकसित करने की अनुमति देता है।
यह देखा गया है कि डिवाइस में संग्रहीत डेटा पावर बंद होने पर भी बना रहता है। यह संकेत देता है कि डिवाइस लचीली स्टोरेज के रूप में और संभवतः RAM से परे भी संभावनाएँ रखता है। लियू ने नोट किया:
“FlexRAM को पूरे लिक्विड‑आधारित कंप्यूटिंग सिस्टम में शामिल किया जा सकता है, जहाँ यह एक लॉजिक डिवाइस के रूप में कार्य करेगा।”
FlexRAM कम‑ऑक्सीजन या शून्य‑ऑक्सीजन वातावरण में 43 200 सेकंड या 12 घंटे तक डेटा रख सकता है। साथ ही, डिवाइस को 3500 से अधिक चक्रों तक स्थिर प्रदर्शन बनाए रखते हुए बार‑बार उपयोग किया जा सकता है। यह एक अच्छा प्रारंभ है, लेकिन यह पारंपरिक लेकिन गैर‑लचीली मेमोरी की मिलियन‑स्तर क्षमता से कहीं दूर है।
विस्तृत अनुप्रयोग संभावनाएँ
डिवाइस ने आशाजनक प्रदर्शन दिखाया है, लेकिन इसकी प्रतिक्रिया समय और एकीकरण स्तर अभी व्यावसायिक मानकों तक नहीं पहुँचे हैं। इसका अर्थ है कि कई पहलुओं में सुधार की आवश्यकता है, जिसमें वर्तमान में क्रमिक रूप से सामग्री भरने वाली निर्माण प्रक्रिया शामिल है।
टीम का लक्ष्य बुद्धिमान और स्वचालित निर्माण प्रक्रियाओं को 3D एयरोबोर्न प्रिंटिंग और पैकेजिंग तकनीक के साथ उपयोग करना है।
फिर भी, यह तकनीक बहुत नई है और पूरी तरह साकार होने में वर्षों लगेंगे। कहा जाए तो, प्रूफ़‑ऑफ़‑कॉन्सेप्ट उत्साहजनक है, और इस नए दृष्टिकोण ने उद्योग में कई लिक्विड‑आधारित अवधारणाओं की खोज को प्रेरित किया है।
ऐसा एक शोध प्रदर्शित किया गया था, जब दो नए लिक्विड‑आधारित स्टोरेज कॉन्सेप्ट—कोलोइडल और इलेक्ट्रोलिथिक मेमोरी—को प्रस्तावित किया गया, जिनमें अत्यधिक उच्च‑घनत्व निकट‑लाइन स्टोरेज अनुप्रयोगों की संभावना है।
फिर भी, जीवन विज्ञान में प्रगति से प्रेरणा लेते हुए, एक घना ऐरे बनाने के लिए प्रस्तावित स्टोरेज माध्यम को आयन, अणु या (नैनो‑)कणों वाले तरल के रूप में सोचा गया, जिसे बड़े आयतन में हेर‑फेर करके एक ऐरे का हिस्सा बनने वाले एक्सेस डिवाइस में बदला जा सकता है।
नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स और डिजिटल तकनीकों में R&D एवं नवाचार केंद्र IMEC ने 2030 से लिक्विड मेमोरी के परिचय की भविष्यवाणी की है। यह अनुमान लगाता है कि इन दृष्टिकोणों से बिट स्टोरेज घनत्व 1 Tbit/mm² सीमा तक पहुँच सकता है, जबकि प्रति mm² प्रक्रिया लागत कम होगी। यह भी उल्लेख किया गया कि निकट‑लाइन अनुप्रयोगों के लिए इन स्टोरेज समाधान को व्यवहार्य बनाने हेतु तकनीक को पर्याप्त प्रतिक्रिया समय, ऊर्जा खपत, बैंडविड्थ (जैसे 20 Gb/s), साइक्लिंग स्थायित्व (10³ पढ़ने/लिखने चक्र) और दशक‑भर डेटा रिटेंशन क्षमता होनी चाहिए।
एक अन्य उदाहरण में, 2020 में शोधकर्ताओं ने लिक्विड मेटल बैटरियों से चार्ज प्राप्त किया। यहाँ, नमक इलेक्ट्रोलाइट, धातु एनोड और कैथोड सभी तरल रूप में थे। ठोस‑स्थिति बैटरियों की तुलना में, लिक्विड मेटल बैटरियों को इलेक्ट्रोड के बीच आयनों के तेज़ प्रसार से लाभ मिलता है, जिससे तेज़ चार्ज‑डिसचार्ज चक्र संभव होते हैं।
इसके अलावा, यांत्रिक तनाव बहुत कम होते हैं, और यह मेम्ब्रेन व सेपरेटर की आवश्यकता को समाप्त करता है, जबकि दीर्घकालिक स्थिरता और उपयोगिता को बढ़ाता है। शोध ने कहा कि लिक्विड मेटल बैटरियां, हालांकि भारी हैं, गैर‑ज्वलनशील हैं और बड़े‑पैमाने पर विद्युत ऊर्जा संग्रह के लिए अधिक उपयुक्त हो सकती हैं।
हाल ही में, वैज्ञानिकों ने खोजा कि एक लिक्विड मेटल‑आधारित कंपोजिट सॉफ्ट सर्किट्री और कठोर इलेक्ट्रिकल घटकों के बीच मजबूत विद्युत और यांत्रिक कनेक्शन सक्षम करता है। शोधकर्ता आशा करते हैं कि यह सामग्री, जिसका नाम E‑CASE है, जो सिल्वर और यूटेक्टिक गैलियम‑इंडियम (EGaIn) के साथ एक विद्युत‑चालक चिपकने वाला है, इलेक्ट्रॉनिक्स, रोबोटिक्स और सेंसर में भूमिका निभाएगी।
इस प्रकार, जैसे ही शोधकर्ता चुनौतियों को संबोधित करते हैं और तकनीक को परिष्कृत करते हैं, FlexRAM भविष्य में इम्प्लांटेबल इलेक्ट्रॉनिक्स, सॉफ्ट रोबोटिक्स और ब्रेन‑मशीन इंटरफ़ेस सिस्टम में अपना उपयोग पा सकता है।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कंपनियाँ
#1. Materialise
बेल्जियम‑आधारित 3D प्रिंटिंग सेवा प्रदाता विभिन्न उद्योगों जैसे ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस और हेल्थकेयर को सेवा देता है। पिछले कुछ महीनों में, Materialise ने कई साझेदारियाँ की हैं, जिनमें Ricoh USA के साथ 3D‑प्रिंटेड एनाटॉमिक मॉडल के उपयोग को बढ़ावा देना, Proponent के साथ विमान के केबिन समाधान को 3D‑प्रिंट करना, Nikon SLM Solutions के साथ उन्नत बिल्ड प्रोसेसर विकसित करना, और Ansys के साथ 3D प्रिंटिंग के लिए सिमुलेशन को सरल बनाना शामिल है।
(MTLS )
$329 मिलियन के मार्केट कैप के साथ, Materialise (MTLS:NASDAQ) के शेयर $5.57 पर ट्रेड हो रहे हैं, YTD में 15.16 % गिरावट के साथ। कंपनी ने $272 मिलियन की राजस्व (TTM) और 0.05 EPS (TTM) तथा 116.53 P/E (TTM) दर्ज किया। कंपनी ने अपने 3Q23 आय रिपोर्ट में पिछले वर्ष की तुलना में कुल राजस्व में 3.2 % की वृद्धि कर $63.6 मिलियन तक पहुंचा, जबकि EBITDA में 55 % की उछाल और शुद्ध लाभ में 184 % की वृद्धि कर $4.2 मिलियन तक पहुंचा।
#2. EOS GmbH
जर्मनी‑आधारित EOS GmbH एक प्रमुख औद्योगिक 3D प्रिंटिंग निर्माता है जिसने FDR तकनीक लॉन्च की है, जो गुणवत्ता से समझौता किए बिना सूक्ष्म विवरणों का उत्पादन सक्षम करती है। इसी बीच, कंपनी की Smart Fusion सपोर्ट स्ट्रक्चर को समाप्त करती है, लागत घटाती है, सामग्री उपयोग को न्यूनतम करती है और पोस्ट‑प्रोसेसिंग आवश्यकताओं को कम करती है। इसके नए सिस्टम पूरी तरह स्वचालित समाधान प्रदान करते हैं जो उत्पादन आवश्यकताओं के साथ स्केल होते हैं।
EOS GmbH और Materialise के अलावा, Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs, और Renishaw जैसी 3D प्रिंटिंग कंपनियां Liquid Metal Ram के व्यावसायीकरण में मदद कर सकती हैं। इसी बीच, Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple, और Samsung इस नई स्टोरेज प्रणाली से लाभ उठा सकते हैं।
अंतिम शब्द
Liquid Metal Ram की लगभग सभी विकृतियों को सहन करने की क्षमता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए एक उज्ज्वल भविष्य का वादा करती है, जिससे हमारे जीवन में और समृद्धि आएगी। हालांकि, वे अभी प्रारंभिक चरण में हैं, और व्यावसायीकरण से पहले अधिक शोध और कार्य की आवश्यकता है।
यहाँ, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग कस्टम डिज़ाइनों और विभिन्न घटकों के बेहतर एकीकरण को सक्षम करके प्रदर्शन और विश्वसनीयता को बढ़ा सकता है। इसके अलावा, यह तेज़ प्रोटोटाइपिंग की अनुमति देता है, जिससे शोधकर्ता और कंपनियां जल्दी सुधार कर सकते हैं जबकि अपशिष्ट को कम करके स्केलेबिलिटी और ऑन‑डिमांड उत्पादन प्रदान कर सकते हैं।
