積層造形
加工製造が「液体金属ラム」の商業化の鍵となる可能性
中国の清華大学の研究者によって達成された新しいストレージシステムのアプローチにより、電子機器の性能を損なうことなく柔軟なメモリが可能になりました。中国国家自然科学基金、中国博士後基金、以及水木清華奨学金プログラムの資金提供を受けて、この研究は、「Advanced Materials」に掲載された最近の論文で「液体金属メモリ」を紹介しています。
ストレージシステムは、電子機器の重要なコンポーネントであり、可穿戴電子機器、バイオメディカルデバイス、ソフトロボティクスの進化に伴って、より柔軟性が求められます。これらのデータストレージシステムは、機器の性能に影響を与えることなく、極限まで伸縮して曲げることができる必要があります。
柔軟なメモリを実現することは、従来のストレージ手法の限界により困難でした。最新の研究では、人間の脳の分極と非分極メカニズムに着想を得た新しいクラスのストレージ原理を提案しています。
液体金属の酸化と還元挙動を導入することで、研究チームは完全に柔軟なメモリを実現しました。研究者は、液体金属の全体的な導電率を調節するために可逆的な電気化学的酸化を利用し、2進数データストレージのために11桁の抵抗差を生成しました。
最適なストレージ性能を得るために、複数のパラメータの体系的な最適化が行われました。概念実験では、360°のねじれ、180°の曲げ、100%の伸縮などの極端な変形シナリオでのメモリの安定性が実証されました。
さらに、メモリの単位サイズが小さくなるにつれて、性能が向上することが実証されました。
研究チームは、ストレージシステムが33 Hzを超える高速なストレージ速度と、43200秒を超える長いデータ保持能力を達成し、3500サイクルまでの安定した繰り返し動作を実現したと結論付けた。これらの顕著な性能メトリックは、この「画期的な方法」が既存の電子ストレージユニットの固有の剛性の限界を克服し、革新的なニューロモルフィックデバイスの道を開くことを示しています。
したがって、液体金属メモリは、従来の柔軟なメモリの概念を根本的に変え、将来的にバイオインスパイアされた人工知能システム、ソフトロボティクス、可穿戴電子機器への実用的応用を提供します。
非従来的なアプローチ：液体金属の使用
柔軟なデバイスの使用が増えるにつれて、メモリの可変形特性の需要が増加するでしょうと、北京の清華大学の生物医学工学科の教授である劉京は、インタビューで述べました。
柔軟な抵抗RAMデバイスは、FlexRAMと呼ばれ、非従来的なアプローチで開発されています —液体。 この液体金属RAMは、約70%が水である私たちの脳と同様に、溶液環境で情報を保存します。
このバイオミメティックアプローチにより、FlexRAMは、現在のメモリシステムと異なり、固体ではありません。劉によると、このバイオミメティックアプローチは、「生体内で見られる水性作業環境に似ています。」
現在、柔軟なメモリデバイスの柔軟性は、通常、柔軟な材料に非柔軟なメモリコンポーネントを配置することで制限されています。これにより、デバイスは部分的にしか柔軟ではなく、変形すると剥がれや割れが生じます。
FlexRAMは、ガリウムとインジウムの合金をメモリコンポーネントとして使用してストレージデバイスを製造することで、これを変えることを目指しています。ガリウムベースの液体金属は、高い電気伝導率と熱伝導率、低い毒性、低い粘度、室温での流動性などの優れた特性を持つため、魅力的な材料です。
脳に着想を得て、材料は溶液環境で酸化と還元を経験します。ニューロンの場合、細胞膜内が外側よりも負に帯電している場合に分極し、変化が起こると非分極します。
さらに、材料は室温で液体状態を維持し、表面に密なガリウム酸化物層を形成する酸化を促進します。このガリウム酸化物層は、ストレージシステムの高電気抵抗状態に対応し、還元された形のガリウムは低抵抗状態に対応します。
高抵抗比は、メモリの性能に不可欠です。
高集積度とスケーラビリティの実現
メモリストレージデバイスの場合、エネルギー効率、高速な読み書き速度、高いストレージ密度、データ保持、耐久性、信頼性などの多くの特性が必要です。問題は、これらの側面のバランスをとることとデバイスの柔軟性を最大化することです。
したがって、高度な変形を処理できるデバイスを開発するために、研究チームは、伸縮性ポリマーであるEcoflexをカプセル化材料として使用しました。
次に、研究チームは、Ecoflexの型を印刷するために3Dプリンターを使用しました。3Dプリンティングまたは加法製造により、複雑なオブジェクトの製造が可能になります。経済的に従来の製造では不可能だったアイテムの製造が可能になります。加法製造とは、コンピュータで作成された設計に従って材料を層状に積み重ねて、三次元オブジェクトを作成することを意味します。
コスト効率の高さにより、3Dプリンティングは、初めて大量生産にアクセスできるようになりました。さらに、設計の柔軟性と迅速なプロトタイピングの能力により、この技術は科学者や研究者の中で人気を博しています。
したがって、デバイスが作成されると、ガリウムベースの液体金属の小滴が型の凹みに配置されました。溶液の漏れを防ぐために、研究者は、抵抗比を増加させ、機械的特性を強化する能力があるポリビニルアセタートハイドロゲル溶液の小滴も別途に注入しました。
ここでの液体金属の小滴のサイズは重要でした。なぜなら、小滴のサイズは、表面酸化膜の影響が増大するため、デバイスの高抵抗状態/低抵抗状態比に大きな影響を与えるからです。小滴のサイズが小さくなるにつれて、比率が増加し、「メモリ応答がより敏感になる」ことになります。
劉は次のように述べています。
「小滴サイズの削減は、FlexRAMの統合とスケーラビリティに利益をもたらし、完全に柔軟な、高密度メモリを多様なエンジニアリング開発のための有望な選択肢にします。」
データの読み取り、書き込み、保存
さて、データを符号化する場合、FlexRAMは液体金属の酸化と還元プロセスを通じてこれを実行します。
したがって、ガリウムベースの液体金属は、低電圧が適用されると酸化され、高抵抗状態の「1」になります。電圧の極性が逆になると、液体金属は初期の低抵抗状態の「0」に戻ります。この可逆的なスイッチングプロセスにより、デバイスにメモリを保存および消去することができます。
FlexRAMの読み取りと書き込み能力を実証するために、研究者はデバイスをソフトウェアとハードウェアのセットアップに統合しました。コンピュータコマンドを使用して、研究チームは8つのFlexRAMストレージユニットの配列に数字と文字の文字列を書き込みました。
これらの文字と数字は、1バイトのデータ情報に対応する0と1の形式で符号化され、消費者向けメモリ容量とは遠く離れています。
次のステップでは、研究チームは、パルス幅変調と呼ばれる技術を使用しました。これにより、コンピュータからのデジタル信号をアナログ信号に変換し、液体金属の酸化と還元を慎重に制御することができます。
次に、研究チームは、情報を読み取る際に、金属の還元酸化状態を変更せずにシステムの抵抗状態を測定するために、短い1ボルトのテスト電圧を適用しました。電流はコンピュータに送信され、アルゴリズムを使用して0または1に変換され、符号化されたメッセージがLEDスクリーンに表示されます。
プロトタイプは揮発性メモリですが、原理により、デバイスをさまざまな形式のメモリに開発することができます。
これは、デバイスに保存されたデータが電源をオフにした後も保持されるという観察からも明らかです。これは、デバイスが柔軟なストレージとして、そしてRAMを超えても有望である可能性があることを示しています。劉は次のように述べています。
「FlexRAMは、完全な液体ベースのコンピューティングシステムの一部として、論理デバイスとして機能する可能性があります。」
FlexRAMは、低酸素または無酸素環境で最大12時間、43200秒のデータを保持できます。さらに、デバイスは3500サイクル以上で安定した性能を維持しながら繰り返し使用できます。良いスタートですが、従来の非柔軟なメモリが可能な数百万と比較すると、まだ遠く離れています。
広範な応用の可能性
デバイスは有望な性能を示していますが、応答時間と統合度はまだ商業基準に達していません。これは、製造プロセスを含むいくつかの側面で改善が必要であることを意味します。これまでのところ、材料を順番に充填する手順が含まれます。
研究チームは、知能化された自動化製造プロセスと3D空中印刷およびパッケージング技術を使用することを目指しています。
まだ技術は非常に若い段階であり、商業化されるまでに数年かかるでしょう。ただし、概念実証は推奨でき、 この新しいストレージシステムのアプローチは業界の関心を引いています。
たとえば、数年前に、2つの液体ベースのストレージ概念 — コロイドメモリと電解メモリ — が提案され、極めて高密度のニアラインストレージアプリケーションに潜在的に有望です。
また、生命科学の進歩から着想を得て、メモリの作成に使用されるストレージメディアは、イオン、分子、または（ナノ）粒子を含む液体であり、デバイスの密集した配列の一部であるアクセスデバイスに操作できます。
IMECは、2030年以降に液体メモリの導入を予測しています。IMECは、これらのアプローチにより、ビットストレージ密度を1 Tbit/mm2の範囲に押し上げ、1 mm2あたりのプロセスコストを低減できることを予想しています。また、近線アプリケーションのために、これらのストレージソリューションが有効であるためには、適切な応答時間、エネルギー消費、帯域幅（例：20 Gb/s）、サイクル耐久性（10^3読み/書きサイクル）、および10年間のデータ保持能力が必要であると述べています。
別の例では、2020年に、研究者は液体金属バッテリーから電荷を得ました。ここでは、塩電解質、金属アノード、カソードがすべて液体でした。固体バッテリとは異なり、液体金属バッテリーは、電極間のイオンの迅速な拡散により、迅速な充電/放電サイクルから利益を得ます。
さらに、機械的応力が大幅に軽減され、膜やセパレータの必要性がなくなり、長期的な安定性と有用性が向上します。研究によると、液体金属バッテリーは重いですが、非可燃性であり、大規模な電力ストレージには適している可能性があります。
最近、科学者は、柔軟な電子機器のための強固な電気および機械的接続を可能にする液体金属ベースの複合材料を発見しました。研究者は、この材料、E-CASE（電気伝導性接着剤）が、電子機器、ロボティクス、センサーで役割を果たすことを期待しています。
したがって、研究者が課題に対処し、技術を洗練するにつれて、FlexRAMは将来的に、埋め込み可能な電子機器、ソフトロボティクス、脳機械インターフェースシステムで使用される可能性があります。
加法製造会社
#1. Materialise
ベルギーを拠点とする3Dプリンティングサービスプロバイダーは、自動車、航空宇宙、ヘルスケアなどの業界にサービスを提供しています。過去数ヶ月で、Materialiseは、3D印刷アナトミーモデルを推進するためにRicoh USAと、航空機のキャビンソリューションを3D印刷するためにProponentと、Build Processorの開発のためにNikon SLM Solutionsと、3D印刷のシミュレーションを簡素化するためにAnsysと提携しました。
(MTLS )
3億2900万ドルの時価総額を有するMaterialise（MTLS：NASDAQ）の株価は、年初来15.16%下落して5.57ドルで取引されています。同社の売上高（TTM）は2億7200万ドルで、1株当たり利益（TTM）は0.05、時価総額率（TTM）は116.53です。同社は、2023年3四半期の財務報告で、前年比3.2%増の6億3600万ドルの総売上高を記録し、EBITDAは55%増加、当期純利益は184%増の420万ドルとなりました。
#2. EOS GmbH
ドイツを拠点とするEOS GmbHは、工業用3Dプリンティングの先駆的なメーカーであり、細部を損なうことなく精密な詳細を生産できるFDR技術を立ち上げました。さらに、同社のSmart Fusionは、サポート構造を排除し、コストを削減し、材料の使用を最小限に抑え、後処理の要件を削減します。同社の新しいシステムは、需要に応じてスケーラブルな完全に自動化されたソリューションを可能にします。
EOS GmbHとMaterialiseのほか、3Dプリンティング会社のStratasys、GE Additive、Desktop Metal、Formlabs、Renishawは、液体金属RAMの商業化に役立つ可能性があります。一方、Soft Robotics、Shadow Robot Company、Neuralink、CTRL-labs、BrainGate、Apple、Samsungなどの会社は、この新しいストレージシステムのアプローチから利益を得る可能性があります。
最終的な言葉
液体金属RAMのほぼすべての変形に耐える能力は、電子機器の未来を約束しています。これらの機器は私たちの生活をさらに豊かにします。ただし、これらはまだ初期段階にあり、商業化される前にさらに研究と作業が必要です。
ここで、加法製造は、カスタマイズされた設計とさまざまなコンポーネントの統合を可能にすることで、重要な役割を果たす可能性があります。これにより、パフォーマンスと信頼性が向上します。さらに、迅速なプロトタイピングを可能にし、廃棄物を削減し、スケーラビリティと需要に応じた生産を提供します。
