Manufaktur aditif
Manufaktur Aditif Mungkin Menjadi Kunci dalam Komersialisasi ‘Liquid Metal Ram’
Pendekatan baru untuk sistem penyimpanan, yang dicapai oleh peneliti dari Universitas Tsinghua di China, memungkinkan memori fleksibel tanpa mengorbankan kinerja perangkat elektronik. Didanai oleh National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation, dan Shuimu Tsinghua Scholarship Program, penelitian ini memperkenalkan “Liquid Metal Memory” dalam publikasi terbaru di “Advanced Materials.”
Sistem penyimpanan, sebagai komponen penting perangkat elektronik, harus menjadi jauh lebih fleksibel seiring dunia melihat lebih banyak elektronik yang dapat dipakai, perangkat biomedis, dan robotika lunak. Sistem penyimpanan data ini harus dapat meregang, membengkok, dan memutar ke ekstrem tanpa memengaruhi kinerja perangkat yang muncul.
Mencapai memori fleksibel telah menjadi tantangan karena keterbatasan metodologi penyimpanan konvensional. Studi terbaru mengusulkan kelas prinsip penyimpanan baru yang terinspirasi oleh mekanisme polarisasi dan depolarisasi otak manusia.
Dengan memperkenalkan perilaku oksidasi dan deoksidasi logam cair, tim berhasil menciptakan memori yang sepenuhnya fleksibel. Peneliti memanfaatkan oksidasi elektrokimia terbalik untuk mengatur konduktivitas keseluruhan logam cair target, menciptakan perbedaan resistansi 11 orde yang signifikan untuk penyimpanan data biner, seperti yang dicatat.
Untuk memperoleh kinerja penyimpanan terbaik, dilakukan optimasi sistematis terhadap banyak parameter. Eksperimen konseptual menunjukkan stabilitas memori dalam skenario deformasi ekstrem, termasuk pemutaran 360°, pembengkokan 180°, dan peregangan 100%. Tes lebih lanjut menunjukkan kinerja lebih baik dengan ukuran unit memori yang lebih kecil.
Tim menyimpulkan bahwa sistem penyimpanan mereka mencapai kecepatan penyimpanan cepat lebih dari 33 Hz dan kapasitas retensi data lebih dari 43200 detik, dengan operasi stabil dan dapat diulang hingga 3500 siklus. Metri kinerja luar biasa ini menunjukkan bahwa “metode terobosan” dapat mengatasi keterbatasan kekakuan bawaan unit penyimpanan elektronik yang ada sekaligus membuka jalan bagi perangkat neuromorfik inovatif.
Dengan demikian, memori logam cair secara fundamental mengubah konsep tradisional memori fleksibel, menawarkan jalur praktis untuk aplikasi masa depan dalam sistem kecerdasan buatan bio‑inspirasi, robotika lunak, dan elektronik yang dapat dipakai.
Pendekatan Tidak Konvensional: Menggunakan Logam Cair
Peningkatan penggunaan perangkat fleksibel berarti permintaan akan karakteristik memori yang dapat berubah akan terus tumbuh, kata Jing Liu, profesor di Departemen Teknik Biomedis Universitas Tsinghua di Beijing, dalam sebuah wawancara.
Perangkat RAM resistif fleksibel disebut FlexRAM dan dikembangkan dengan pendekatan tidak konvensional — cair. RAM logam cair ini menyimpan informasi dalam lingkungan larutan, mirip dengan cara otak kita, yang terdiri sekitar 70% air.
Dengan mengambil pendekatan biomimetik ini, FlexRAM membedakan dirinya dari sistem memori saat ini, yang bersifat padat. Pendekatan biomimetik, menurut Liu, mirip dengan “lingkungan kerja berair yang ditemukan dalam organisme hidup”.
Sejauh ini, fleksibilitas perangkat memori yang ada terbatas karena biasanya dibuat dengan menempatkan komponen memori yang kaku pada bahan lunak. Hal ini membuat perangkat hanya sebagian fleksibel dan menyebabkan pengelupasan serta retakan saat perangkat dideformasi.
FlexRAM bertujuan mengubah hal ini dengan menggunakan paduan yang terdiri dari galium dan indium sebagai komponen memori untuk membuat perangkat penyimpanan mereka. Logam cair berbasis galium merupakan material menarik karena fitur unggulnya, seperti konduktivitas listrik dan termal tinggi, toksisitas rendah, serta viskositas rendah dengan sifat cair pada suhu ruang.
Terinspirasi oleh otak, material ini mengalami oksidasi dan reduksi dalam lingkungan larutan, mirip dengan neuron otak kita. Neuron terpolarisasi ketika membran plasma di dalamnya memiliki muatan negatif dibandingkan luar, dan ketika ada perubahan yang membuatnya kurang negatif, itu disebut depolarisasi.
Selain itu, material ini tetap dalam keadaan cair pada suhu ruang. Hal ini memfasilitasi oksidasinya untuk membentuk lapisan oksida galium padat pada permukaan cairan. Lapisan oksida galium ini berhubungan dengan keadaan resistansi listrik tinggi dari sistem penyimpanan dan keadaan resistansi rendah dari galium elemental, bentuk tereduksi dari cairan.
Rasio resistansi tinggi, perbedaan antara resistansi dua keadaan ini, penting untuk kinerja penyimpanan memori.
Mencapai Integrasi Tinggi dan Skalabilitas
Mengenai kinerja, perangkat penyimpanan memori perlu memiliki banyak karakteristik, termasuk efisiensi energi, kecepatan baca/tulis cepat, kepadatan penyimpanan tinggi, retensi data, daya tahan, dan keandalan. Masalahnya terletak pada menyeimbangkan aspek-aspek ini sambil memaksimalkan fleksibilitas perangkat.
Jadi, untuk mengembangkan perangkat yang dapat menangani tingkat deformasi tinggi, tim peneliti menggunakan polimer elastis yang disebut Ecoflex sebagai bahan enkapsulasi.
Kemudian, tim memanfaatkan printer 3D untuk mencetak cetakan Ecoflex. Pencetakan 3D atau manufaktur aditif memungkinkan produksi objek kompleks. Ini memungkinkan pembuatan barang yang secara ekonomi tidak mungkin dengan manufaktur tradisional. AM pada dasarnya berarti menciptakan objek tiga dimensi dengan menumpuk lapisan material berdasarkan desain yang dibuat komputer.
Karena biaya yang efektif, pencetakan 3D telah membuat manufaktur dapat diakses oleh massa untuk pertama kalinya. Sementara itu, kemampuannya menawarkan fleksibilitas desain dan prototyping cepat menjadikan teknik ini populer di kalangan ilmuwan dan peneliti.
Jadi, setelah perangkat dibuat, tetesan logam cair berbasis galium dimasukkan ke dalam rongga cetakan. Untuk mencegah kebocoran larutan, peneliti juga menggunakan tetesan larutan hidrogel poli vinil asetat, yang disuntikkan secara terpisah karena kemampuannya meningkatkan rasio resistansi perangkat dan memperbaiki sifat mekaniknya.
Ukuran tetesan logam cair sangat penting di sini karena secara signifikan memengaruhi rasio keadaan resistansi tinggi/rendah dalam perangkat. Ukuran tetesan yang lebih kecil menghasilkan rasio yang lebih tinggi karena dampak film oksida permukaan yang diperkuat. Jadi, semakin kecil ukuran tetesan, “semakin sensitif respons memori”.
Liu berkata:
“Mengurangi ukuran tetesan menguntungkan integrasi dan skalabilitas FlexRAM, menjadikan memori yang sepenuhnya fleksibel dan berkapasitas tinggi sebagai opsi menjanjikan untuk berbagai pengembangan teknik.”
Membaca, Menulis, & Menyimpan Data
Sekarang, ketika berbicara tentang pengkodean data, FlexRAM melakukannya melalui proses oksidasi dan reduksi logam cair.
Jadi, cara kerjanya adalah logam cair berbasis galium teroksidasi ketika tegangan rendah diterapkan. Ini memberikan keadaan resistansi tinggi “1”. Dengan membalik polaritas tegangan, logam cair kembali ke keadaan resistansi rendah awal “0”. Proses saklar terbalik ini memungkinkan memori disimpan dan dihapus dalam perangkat.
Untuk mendemonstrasikan kemampuan membaca dan menulis FlexRAM, peneliti mengintegrasikan perangkat ke dalam setup perangkat lunak dan perangkat keras. Dengan menggunakan perintah komputer, tim menulis rangkaian angka dan huruf pada array delapan unit penyimpanan FlexRAM.
Huruf dan angka ini dikodekan dalam bentuk 0 dan 1 dan berkorespondensi dengan 1 byte informasi data, yang jauh dari kapasitas memori kelas konsumen.
Pada langkah berikutnya, tim menggunakan teknik yang disebut modulasi lebar pulsa, yang mengubah sinyal digital dari komputer menjadi analog. Teknik ini memungkinkan mereka mengontrol secara hati-hati oksidasi dan reduksi logam cair.
Kemudian, tim menerapkan tegangan uji pendek 1 volt selama pembacaan informasi untuk mengukur keadaan resistansi sistem tanpa mengubah keadaan redoks logam. Arus kemudian ditransmisikan ke komputer, yang mengubah sinyal menjadi 0 atau 1 menggunakan algoritma. Akhirnya, pesan yang dikodekan ditampilkan pada layar LED.
Meskipun prototipe ini merupakan memori volatil, prinsipnya memungkinkan pengembangan perangkat menjadi bentuk memori lain.
Hal ini dapat dilihat dari pengamatan bahwa data yang disimpan dalam perangkat tetap ada bahkan ketika daya dimatikan. Ini bisa berarti perangkat memiliki potensi sebagai bentuk penyimpanan fleksibel dan mungkin melampaui RAM. Liu mencatat:
“FlexRAM dapat diintegrasikan ke dalam seluruh sistem komputasi berbasis cair, berfungsi sebagai perangkat logika.”
FlexRAM dapat mempertahankan datanya hingga 43.200 detik atau 12 jam dalam lingkungan rendah atau tanpa oksigen. Selain itu, perangkat dapat digunakan berulang kali sambil mempertahankan kinerja stabil selama lebih dari 3500 siklus. Meskipun merupakan awal yang baik, ini masih jauh dari apa yang dapat dicapai memori tradisional yang tidak fleksibel, yang berada dalam jutaan siklus.
Potensi Aplikasi yang Luas
Meskipun perangkat telah menunjukkan kinerja yang menjanjikan, waktu respons dan tingkat integrasinya belum memenuhi standar komersial. Ini berarti masih diperlukan perbaikan di beberapa bidang, termasuk prosedur manufaktur, yang saat ini melibatkan pengisian material secara berurutan.
Tim bertujuan menggunakan proses manufaktur cerdas dan otomatis bersama dengan pencetakan 3D udara dan teknologi pengemasan.
Namun, teknologi ini masih sangat muda dan akan memerlukan tahun-tahun untuk sepenuhnya terwujud. Meskipun begitu, bukti konsepnya menggembirakan, dan pendekatan baru ini telah menarik minat industri dengan beberapa konsep berbasis cair yang sedang dieksplorasi.
Salah satu penelitian tersebut ditunjukkan beberapa tahun lalu ketika dua konsep penyimpanan berbasis cair baru diusulkan — memori koloidal dan elektrolitik, yang memiliki potensi untuk aplikasi penyimpanan nearline dengan kepadatan sangat tinggi.
Sekali lagi, dengan mengambil inspirasi dari kemajuan ilmu kehidupan, medium penyimpanan untuk membuat array perangkat akses padat diusulkan berupa cairan yang mengandung ion, molekul, atau (nano-)partikel, yang dapat dimanipulasi dalam volume lebih besar ke perangkat akses yang merupakan bagian dari array padat.
IMEC, sebuah pusat R&D dan inovasi dalam nanoelektronik serta teknologi digital, memperkirakan pengenalan memori cair mulai tahun 2030. Mereka memperkirakan bahwa dengan pendekatan ini, kepadatan penyimpanan bit dapat didorong ke kisaran 1Tbit/mm² dengan biaya proses per mm² yang lebih rendah. Mereka juga mencatat bahwa agar solusi penyimpanan ini layak untuk aplikasi nearline, teknologi harus memiliki waktu respons yang memadai, konsumsi energi, lebar pita (misalnya, 20Gb/s), ketahanan siklus (10³ siklus baca/tulis), dan kemampuan mempertahankan data selama satu dekade.
Dalam contoh lain pada tahun 2020, peneliti memperoleh muatan dari baterai logam cair. Di sini, elektrolit garam, anoda logam, dan katoda semuanya dalam bentuk cair. Dibandingkan dengan baterai padat, baterai logam cair mendapat manfaat dari difusi ion yang cepat antara elektroda, yang berarti siklus pengisian-pengosongan yang cepat.
Selain itu, stres mekanik jauh lebih sedikit, dan menghilangkan kebutuhan akan membran serta pemisah sekaligus meningkatkan stabilitas jangka panjang dan kegunaan. Penelitian menyatakan bahwa baterai logam cair, meskipun berat, tidak mudah terbakar dan dapat lebih cocok untuk penyimpanan listrik skala besar.
Baru-baru ini, ilmuwan menemukan sebuah komposit berbasis logam cair yang memungkinkan sambungan listrik dan mekanik yang kuat antara sirkuit lunak dan komponen listrik keras. Peneliti berharap material ini, yang disebut E-CASE, sebuah perekat konduktif listrik dengan perak dan eutektik galium-indium (EGaIn), dapat berperan dalam elektronik, robotika, dan sensor.
Jadi, seiring peneliti mengatasi tantangan dan menyempurnakan teknologi, FlexRAM juga dapat menemukan kegunaannya dalam elektronik yang dapat ditanam, robotika lunak, dan sistem antarmuka otak-mesin di masa depan.
Perusahaan Manufaktur Aditif
#1. Materialise
Penyedia layanan pencetakan 3D berbasis di Belgia ini melayani berbagai industri, termasuk otomotif, dirgantara, dan perawatan kesehatan. Selama beberapa bulan terakhir, Materialise menjalin beberapa kemitraan, termasuk dengan Ricoh USA untuk mempromosikan penggunaan model anatomi cetak 3D, dengan Proponent untuk mencetak solusi kabin pesawat, Nikon SLM Solutions (AM3D.DE ) untuk mengembangkan Build Processor canggih, dan dengan Ansys untuk menyederhanakan simulasi pencetakan 3D.
(MTLS )
Dengan kapitalisasi pasar $329 juta, saham Materialise (MTLS:NASDAQ) diperdagangkan pada $5.57, turun 15.16% YTD. Perusahaan mencatat pendapatan (TTM) sebesar $272 juta dan EPS (TTM) sebesar 0.05 serta P/E (TTM) sebesar 116.53. Perusahaan melaporkan peningkatan total pendapatan sebesar 3.2% menjadi $63.6 juta dibandingkan tahun sebelumnya dalam laporan keuangan 3Q23 sementara EBITDA naik 55% dan laba bersih meningkat 184% menjadi $4.2 juta.
#2. EOS GmbH
EOS GmbH yang berbasis di Jerman adalah produsen pencetakan 3D industri terkemuka yang meluncurkan teknologi FDR yang memungkinkan produksi detail halus tanpa mengorbankan kualitas. Sementara itu, Smart Fusion perusahaan menghilangkan struktur penopang, menurunkan biaya, meminimalkan penggunaan material, dan mengurangi kebutuhan pasca‑pemrosesan. Sistem barunya lebih lanjut memungkinkan solusi otomatis penuh yang skalanya sejalan dengan kebutuhan produksi.
Selain EOS GmbH dan Materialise, perusahaan pencetakan 3D seperti Stratasys, GE Additive, Desktop Metal (DM ), Formlabs, dan Renishaw dapat membantu dalam komersialisasi Liquid Metal Ram. Sementara itu, perusahaan seperti Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple (AAPL ), dan Samsung dapat memanfaatkan pendekatan baru ini untuk sistem penyimpanan.
Kata Penutup
Kemampuan Liquid Metal Ram untuk menahan hampir semua deformasi menjanjikan masa depan yang cerah bagi perangkat elektronik, semakin memperkaya kehidupan kita. Namun, mereka masih berada pada tahap awal, dengan lebih banyak penelitian dan pekerjaan yang diperlukan sebelum dapat dikomersialisasikan.
Di sini, manufaktur aditif dapat memainkan peran kunci dengan memungkinkan desain yang disesuaikan dan integrasi komponen yang lebih baik untuk meningkatkan kinerja dan keandalan. Selain itu, ia memungkinkan prototyping cepat, memungkinkan peneliti dan perusahaan membuat perbaikan cepat sambil mengurangi limbah, menawarkan skalabilitas dan produksi sesuai permintaan.
