積層造形
付加製造は ‘Liquid Metal Ram’ の商業化の鍵になる可能性がある
中国の清華大学の研究者が実現した新しいストレージシステムのアプローチは、電子デバイスの性能を損なうことなく柔軟なメモリを可能にします。中国国家自然科学基金、中国博士後科学基金、そして水木清華奨学金プログラムの資金提供を受け、この研究は「Advanced Materials」に最近掲載された論文で「Liquid Metal Memory」を紹介しています。
ストレージシステムは電子デバイスの重要な構成要素であり、世界で高度なウェアラブルエレクトロニクス、バイオ医療デバイス、ソフトロボティクスが増えるにつれて、はるかに柔軟になる必要があります。これらのデータストレージシステムは、極端な伸張、曲げ、ねじれに耐え、かつ新興デバイスの性能に影響を与えてはなりません。
従来のストレージ手法の制限により、柔軟なメモリの実現は困難でした。最新の研究では、人間の脳の分極と脱分極メカニズムに触発された新しいストレージ原理のクラスを提案しています。
液体金属の酸化と還元の挙動を導入することで、チームは完全に柔軟なメモリを実現しました。研究者は可逆的な電気化学的酸化を利用して対象液体金属の全体的な導電性を調整し、二進データストレージのために11桁の抵抗差を作り出しました。
最高の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%の伸張といった極端な変形シナリオでもメモリの安定性が示されました。さらに、メモリのユニットサイズを小さくすることで性能が向上することがテストで確認されました。
チームは、彼らのストレージシステムが33 Hz以上の高速書き込み速度と、43200秒以上の長期データ保持能力を実現し、3500サイクルまで安定かつ再現可能に動作することを結論付けました。これらの顕著な性能指標は、既存の電子ストレージユニットの固有の硬さの制限を克服し、革新的なニューロモルフィックデバイスへの道を開く「画期的な手法」であることを示しています。
このように、液体金属メモリは従来の柔軟メモリの概念を根本的に変え、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、ウェアラブルエレクトロニクスへの将来的な応用に実用的な道筋を提供します。
型破りなアプローチ：液体金属の活用
北京の清華大学生体医工学部の教授、劉京氏はインタビューで、柔軟デバイスの使用が増えるにつれて、メモリの変形特性への需要が高まると述べました。
柔軟な抵抗性RAMデバイスはFlexRAMと呼ばれ、型破りなアプローチ――液体を用いて開発されました。この液体金属RAMは、私たちの脳が約70%の水分で構成されているように、溶液環境で情報を保存します。
このバイオミミックなアプローチを採用することで、FlexRAMは現在の固体メモリシステムとは一線を画します。劉氏によれば、このバイオミミックアプローチは「生体内に見られる水性作業環境」に似ています。
これまで、既存のメモリデバイスの柔軟性は、硬いメモリ部品を柔らかい材料上に配置する形で作られるために制限されてきました。この方法ではデバイスは部分的にしか柔軟にならず、変形時に剥がれやひび割れが生じます。
FlexRAMは、記憶部品としてガリウムとインジウムからなる合金を使用し、ストレージデバイスを製造することでこの課題を解決しようとしています。ガリウム系液体金属は、常温で流体的性質を持ち、高い電気・熱伝導性、低毒性、低粘度といった優れた特性から魅力的な素材です。
脳に触発され、この材料は溶液環境で酸化と還元を繰り返し、まるで脳のニューロンのように動作します。内部の細胞膜が外部に比べて負の電荷を持つとニューロンは分極し、電荷が減少すると脱分極となります。
さらに、この材料は常温で液体状態を保ちます。これにより酸化が促進され、液体表面に濃密なガリウム酸化物層が形成されます。このガリウム酸化物層はストレージシステムの高抵抗状態に対応し、還元された液体の元素ガリウムは低抵抗状態となります。
高い抵抗比、すなわちこの二つの状態の抵抗差は、メモリストレージ性能にとって不可欠です。
高い統合性とスケーラビリティの実現
性能に関しては、メモリストレージデバイスはエネルギー効率、速い読み書き速度、高い記憶密度、データ保持、耐久性、信頼性など多くの特性を備える必要があります。これらの側面のバランスを取りつつ、デバイスの柔軟性を最大化することが課題です。
そこで、極度の変形に耐えられるデバイスを開発するため、研究チームはエコフレックスという伸縮性ポリマーをエンクapsulation材料として使用しました。
次に、チームは3Dプリンターを用いてエコフレックスの型を印刷しました。3Dプリンティングまたは付加製造は複雑な形状の製造を可能にし、従来の製造では経済的に不可能だった部品の生産を実現します。付加製造は基本的に、コンピュータで設計されたデザインに従って材料を層状に積み上げて三次元物体を作ることを意味します。
コスト効率の高さから、3Dプリンティングは初めて製造を大衆に開放しました。また、設計の柔軟性と迅速な試作が可能な点から、科学者や研究者の間でこの技術は人気があります。
デバイスが作成された後、ガリウム系液体金属の滴が型の空洞に注入されました。溶液の漏れを防ぐため、研究者はポリビニル酢酸ヒドロゲル溶液の滴も使用しました。この溶液は別途注入され、デバイスの抵抗比を高め、機械的特性を向上させます。
液体金属滴のサイズは重要で、デバイスの高抵抗状態と低抵抗状態の比率に大きく影響します。滴が小さいほど表面酸化膜の影響が増幅され、比率が上昇します。したがって、滴が小さいほど「メモリ応答がより敏感」になります。
劉氏は次のように述べました：
滴のサイズを小さくすることでFlexRAMの統合性とスケーラビリティが向上し、完全に柔軟で高密度なメモリが多様なエンジニアリング開発に有望な選択肢となります。
データの読み取り、書き込み、保存
現在、データのエンコードは、FlexRAMが液体金属の酸化・還元プロセスを通じて行います。
具体的には、低電圧が加わるとガリウム系液体金属が酸化し、高抵抗状態「1」になります。電圧極性を逆転させると液体金属は元の低抵抗状態「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、デバイス内でメモリの書き込みと消去が可能になります。
FlexRAMの読み書き機能を実証するため、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、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列を書き込みました。
これらの文字と数字は0と1の形でエンコードされ、1バイトのデータ情報に相当し、消費者向けメモリ容量とは大きく異なります。
次のステップでは、チームはパルス幅変調（PWM）という手法を用いて、コンピュータからのデジタル信号をアナログに変換しました。この手法により、液体金属の酸化と還元を慎重に制御できました。
その後、情報読み取り時に短時間の1ボルトテスト電圧を加えて、金属の酸化還元状態を変えずにシステムの抵抗状態を測定しました。電流はコンピュータに送られ、アルゴリズムで信号を0または1に変換します。最後に、エンコードされたメッセージがLED画面に表示されます。
このプロトタイプは揮発性メモリですが、原理上はデバイスをさまざまな形態のメモリへと発展させることが可能です。
デバイスに保存されたデータが電源オフ後も保持されることが観察されており、これはデバイスが柔軟なストレージ、さらにはRAMを超える形態として有望であることを示唆しています。劉氏は次のように述べました：
FlexRAMは液体ベースのコンピューティングシステム全体に組み込むことができ、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下で最大43,200秒（12時間）までデータを保持できます。また、デバイスは3500サイクル以上にわたり安定した性能を維持しながら繰り返し使用可能です。良い出発点ではありますが、従来の非柔軟メモリが可能とする数百万回のサイクルには遠く及びません。
広大な応用可能性
デバイスは有望な性能を示したものの、応答時間と統合レベルは商業基準に達していません。つまり、現在は材料を順次充填する製造工程など、複数の面で改善が必要です。
チームは、インテリジェントかつ自動化された製造プロセスと、3D空中印刷およびパッケージング技術の活用を目指しています。
しかしながら、この技術はまだ非常に初期段階であり、完全に実現するまでには数年かかります。とはいえ、概念実証は励みになるものであり、この新しいアプローチは業界からの関心を呼び、いくつかの液体ベースの概念が検討されています。
そのような研究の一例として、数年前に実証されました。当時、コロイド型とエレクトロリチック型という2つの新しい液体ベースのストレージ概念が提案され、極めて高密度のニアラインストレージ応用の可能性が示されました。
再び、生命科学の進展からインスピレーションを得て、アクセスデバイスの高密度配列を作るためのストレージ媒体として、イオン、分子、または（ナノ）粒子を含む液体が提案されました。この液体は大容量で操作でき、密集した配列の一部となるアクセスデバイスへと導かれます。
ナノエレクトロニクスとデジタル技術のR&D・イノベーションハブであるIMECは、2030年以降に液体メモリの導入を見込んでいます。これらのアプローチにより、ビット保存密度は1Tbit/mm²の範囲に向上し、mm²あたりのプロセスコストも低減できると予測しています。また、これらのストレージソリューションがニアライン用途で実用的であるためには、十分な応答時間、エネルギー消費、帯域幅（例：20Gb/s）、サイクル耐久性（10^3回の読書きサイクル）、そして10年にわたるデータ保持能力が必要であると指摘しています。
別の例として、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形態でした。固体電池と比較して、液体金属バッテリーは電極間のイオン拡散が速く、急速な充放電サイクルが可能です。
さらに、機械的応力が大幅に低減され、膜やセパレーターが不要になることで、長期的な安定性と有用性が向上します。研究では、液体金属バッテリーは重いものの不燃性であり、大規模な電力貯蔵により適している可能性があると述べられています。
最近、科学者たちは発見しました。液体金属ベースの複合材料で、柔らかい回路と硬い電気部品間の強固な電気的・機械的接続を可能にします。研究者は、このE-CASEと呼ばれる、銀と共晶ガリウム-インジウム（EGaIn）を含む導電性接着剤が、エレクトロニクス、ロボティクス、センサー分野で役割を果たすことを期待しています。
したがって、研究者が課題に取り組み技術を洗練させるにつれ、FlexRAMは将来的に埋め込み型エレクトロニクス、ソフトロボティクス、脳-機械インターフェースシステムにも応用できるでしょう。
付加製造企業
#1. Materialise
ベルギー拠点の3DプリンティングサービスプロバイダーであるMaterialiseは、自動車、航空宇宙、ヘルスケアなど幅広い業界にサービスを提供しています。過去数か月で、MaterialiseはRicoh USAとの提携を含む複数のパートナーシップを結び、航空機のキャビンソリューションの3Dプリント、Nikon SLM Solutionsとの高度なビルドプロセッサの開発、Ansysとの3Dプリンティングシミュレーションの簡素化などを進めています。
(MTLS )
時価総額3億2,900万ドルのMaterialise（MTLS:NASDAQ）の株価は現在5.57ドルで、年初来15.16%下落しています。同社は過去12か月（TTM）で売上高2億7,200万ドル、EPS（TTM）0.05、P/E（TTM）116.53を報告しました。2023年第3四半期の決算では、前年から総収益が3.2%増の6,360万ドルとなり、EBITDAは55%上昇、純利益は184%増の420万ドルとなりました。
#2. EOS GmbH
ドイツ拠点のEOS GmbHは、品質を犠牲にせずに微細なディテールの製造を可能にするFDR技術を導入した、先進的な産業用3Dプリンティングメーカーです。同社のSmart Fusionはサポート構造を不要にし、コストを削減し、材料使用量を最小化し、後処理の必要性を減らします。新しいシステムは、生産ニーズに合わせてスケールする完全自動化ソリューションも提供します。
EOS GmbHやMaterialiseに加えて、Stratasys、GE Additive、Desktop Metal、Formlabs、Renishawといった3Dプリンティング企業がLiquid Metal Ramの商業化を支援できます。また、Soft Robotics、Shadow Robot Company、Neuralink、CTRL-labs、BrainGate、Apple、Samsungなどは、この新しいストレージシステムアプローチから恩恵を受けることができます。
最終的な考え
Liquid Metal Ramはほぼすべての変形に耐える能力を持ち、電子デバイスの将来に大きな可能性を約束し、私たちの生活をさらに豊かにします。しかし、まだ初期段階にあり、商業化に向けてはさらなる研究と作業が必要です。
ここで、付加製造はカスタマイズ設計と異なる部品の統合を向上させ、性能と信頼性を高める重要な役割を果たします。さらに、迅速な試作が可能となり、研究者や企業は迅速に改良を行いながら廃棄物を削減し、スケーラビリティとオンデマンド生産を提供できます。
