Additive Manufacturing kan cruciaal zijn voor de commercialisering van ‘Liquid Metal Ram’

Een nieuwe benadering van opslagsystemen, ontwikkeld door onderzoekers van de Tsinghua Universiteit in China, maakt flexibel geheugen mogelijk zonder concessies te doen aan de prestaties van elektronische apparaten. Gefinancierd door de National Natural Science Foundation of China, de China Postdoctoral Science Foundation en het Shuimu Tsinghua Scholarship Program, dit onderzoek introduceert “Liquid Metal Memory” in een recente publicatie in “Advanced Materials.”

Opslagsystemen, die essentiële componenten van elektronische apparaten vormen, moeten veel flexibeler worden nu de wereld meer geavanceerde draagbare elektronica, biomedische apparaten en zachte robotica ziet. Deze gegevensopslagsystemen moeten zich tot uitersten uitrekken, buigen en draaien zonder de prestaties van de opkomende apparaten te beïnvloeden.

Het realiseren van flexibel geheugen is uitdagend geweest vanwege de beperkingen van conventionele opslagmethoden. De nieuwste studie stelt een nieuwe klasse opslagprincipes voor, geïnspireerd op de polariserings- en depolariseringsmechanismen van de menselijke hersenen.

Door oxidatie- en deoxidatiegedragingen van vloeibare metalen te introduceren, heeft het team volledig flexibel geheugen bereikt. Onderzoekers maakten gebruik van omkeerbare elektrochemische oxidatie om de algehele geleidbaarheid van de doelvloeibare metalen te moduleren, waardoor een significante weerstandsdifferentie van 11 orders voor binaire gegevensopslag werd gecreëerd, zoals opgemerkt.

Om de beste opslagprestaties te verkrijgen, werden systematische optimalisaties van meerdere parameters uitgevoerd. Conceptuele experimenten toonden geheugenstabiliteit in extreme deformatiescenario’s, waaronder 360° draaien, 180° buigen en 100% rek. Verdere tests toonden betere prestaties met kleinere eenheidsgroottes van het geheugen.

Het team concludeerde dat hun opslagsysteem een snelle opslagsnelheid van meer dan 33 Hz en een lange gegevensretentiecapaciteit van meer dan 43200 s bereikt, met stabiele, herhaalbare werking tot 3500 cycli. Deze opmerkelijke prestatiemetingen geven aan dat de “baanbrekende methode” de inherente starheid van bestaande elektronische opslagunits kan overwinnen en de weg vrijmaakt voor innovatieve neuromorfe apparaten.

Daarmee verandert vloeibaar metaalsoftware fundamenteel de traditionele concepten van flexibel geheugen, en biedt praktische wegen voor toekomstige toepassingen in bio‑geïnspireerde kunstmatige‑intelligentiesystemen, zachte robotica en draagbare elektronica.

Een onconventionele benadering: het gebruik van een vloeibaar metaal

Het toenemende gebruik van flexibele apparaten betekent dat de vraag naar de vervormbare eigenschappen van geheugen zal groeien, zei Jing Liu, professor in de afdeling Biomedische Technologie aan de Tsinghua Universiteit in Peking, in een interview.

Het flexibele resistieve RAM‑apparaat, genaamd FlexRAM, is ontwikkeld met een onconventionele benadering — vloeistof. Dit vloeibare metaal‑RAM slaat informatie op in een oplossing, vergelijkbaar met hoe ons brein werkt, dat voor ongeveer 70% uit water bestaat.

Door deze biomimetische benadering te volgen, onderscheidt FlexRAM zich van huidige geheugensystemen, die vast zijn. De biomimetische benadering, volgens Liu, is vergelijkbaar met “de waterige werkomgevingen die in levende organismen voorkomen.”

Tot nu toe is de flexibiliteit van bestaande geheugentoestellen beperkt omdat ze meestal worden gemaakt door onbuigzame geheugenelementen op zachte materialen te plaatsen. Dit maakt de apparaten slechts gedeeltelijk flexibel en leidt tot afschilfering en barsten wanneer het apparaat wordt vervormd.

FlexRAM streeft ernaar dit te veranderen door een legering van gallium en indium te gebruiken als geheugenelement om hun opslagapparaat te vervaardigen. Gallium‑gebaseerde vloeibare metalen zijn een aantrekkelijk materiaal vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, lage toxiciteit en lage viscositeit met een vloeibare aard bij kamertemperatuur.

Geïnspireerd door de hersenen ondergaat het materiaal oxidatie en reductie in een oplossing, vergelijkbaar met onze hersenneuronen. De neuron is gepolariseerd wanneer het plasmamembraan binnen een negatieve lading heeft ten opzichte van de buitenkant, en wanneer veranderingen het minder negatief maken, is dat depolarisatie.

Bovendien behoudt het materiaal zijn vloeibare toestand bij kamertemperatuur. Dit vergemakkelijkt hun oxidatie tot het vormen van een dichte galliumoxide‑laag op het oppervlak van de vloeistof. Deze laag van galliumoxide correspondeert met een hoge elektrische weerstandstoestand van het opslagsysteem en een lage weerstandstoestand van elementair gallium, de gereduceerde vorm van de vloeistof.

Een hoge weerstandverhouding, het verschil tussen de weerstand van deze twee toestanden, is essentieel voor de prestaties van geheugensopslag.

Hoge integratie en schaalbaarheid bereiken

Als het gaat om prestaties, moeten geheugensopslagapparaten veel kenmerken hebben, waaronder energie‑efficiëntie, snelle lees‑ en schrijfsnelheden, hoge opslagdichtheid, gegevensretentie, duurzaamheid en betrouwbaarheid. Het probleem ligt in het vinden van een balans tussen deze aspecten terwijl de flexibiliteit van het apparaat gemaximaliseerd wordt.

Dus, om een apparaat te ontwikkelen dat hoge niveaus van vervorming aankan, gebruikte het onderzoeksteam een rekbare polymeer genaamd Ecoflex als omhullend materiaal.

Vervolgens gebruikte het team een 3D‑printer om Ecoflex‑mallen te printen. 3D‑printen of additive manufacturing maakt de productie van complexe objecten mogelijk. Het maakt de productie van items mogelijk die economisch niet haalbaar waren met traditionele fabricage. AM betekent in wezen het creëren van driedimensionale objecten door lagen materiaal toe te voegen volgens een computer‑gegenereerd ontwerp.

Door de kosteneffectiviteit heeft 3D‑printen de productie voor het eerst toegankelijk gemaakt voor de massa. Ondertussen maakt de mogelijkheid om ontwerpflexibiliteit en snelle prototyping te bieden deze techniek populair onder wetenschappers en onderzoekers.

Dus, zodra het apparaat was gecreëerd, werden druppels van het gallium‑gebaseerde vloeibare metaal in de malholtes geplaatst. Om lekken van de oplossing te voorkomen, gebruikten onderzoekers ook druppels van de polyvinylacetaat‑hydrogeloplossing, die apart werd geïnjecteerd vanwege zijn vermogen om de weerstandverhouding van het apparaat te verhogen en de mechanische eigenschappen te verbeteren.

De grootte van de vloeibare metaaldruppel was hier van belang, omdat deze de verhouding tussen de hoge‑weerstandstoestand en lage‑weerstandstoestand in het apparaat aanzienlijk beïnvloedt. Een kleinere druppelgrootte leidt tot een verhoogde verhouding vanwege de versterkte impact van de oppervlakte‑oxidefilm. Dus, hoe kleiner de druppel, “hoe gevoeliger de geheugenrespons.”

Liu zei:

“Het verkleinen van de druppelgrootte bevordert de integratie en schaalbaarheid van de FlexRAM, waardoor volledig flexibel, high‑density geheugen een veelbelovende optie wordt voor diverse technische ontwikkelingen.”

Lezen, schrijven en opslaan van gegevens

Nu, als het gaat om het coderen van gegevens, doet FlexRAM dit via de oxidatie‑ en reductieprocessen van het vloeibare metaal.

Dus, het werkt als volgt: het gallium‑gebaseerde vloeibare metaal wordt geoxideerd wanneer een lage spanning wordt aangelegd. Dit geeft het een hoge‑weerstandstoestand van “1”. Bij omkering van de spanningspolarisatie keert het vloeibare metaal terug naar zijn oorspronkelijke lage‑weerstandstoestand van “0”. Dit omkeerbare schakelfenomeen maakt het mogelijk om geheugen op te slaan en te wissen in het apparaat.

Om FlexRAM’s lees‑ en schrijfcapaciteit te demonstreren, integreerden de onderzoekers het apparaat in een software‑ en hardware‑opstelling. Door computercommando’s te gebruiken, schreef het team een reeks cijfers en letters op een array van acht FlexRAM‑opslagunits.

Deze letters en cijfers werden gecodeerd in de vorm van 0’s en 1’s en kwamen overeen met 1 byte aan gegevensinformatie, wat ver verwijderd is van de capaciteit van consumentengeheugen.

In de volgende stap gebruikte het team een techniek genaamd pulse‑width modulation, die het digitale signaal van de computer omzet in een analoog. De techniek stelde hen in staat om de oxidatie en reductie van het vloeibare metaal nauwkeurig te regelen.

Vervolgens paste het team een korte testspanning van 1 volt toe tijdens het lezen van informatie om de weerstandstoestand van het systeem te meten zonder de redox‑toestand van het metaal te wijzigen. De stroom wordt vervolgens naar de computer gestuurd, die het signaal omzet in 0 of 1 met behulp van een algoritme. Ten slotte wordt de gecodeerde boodschap weergegeven op een LED‑scherm.

Hoewel het prototype een vluchtig geheugen is, maakt het principe de ontwikkeling van het apparaat mogelijk tot verschillende vormen van geheugen.

Dit kan worden gezien in de observatie dat de gegevens die in het apparaat zijn opgeslagen, blijven bestaan zelfs wanneer de stroom wordt uitgeschakeld. Dit zou kunnen betekenen dat het apparaat potentieel heeft als een vorm van flexibel opslag en misschien verder dan RAM. Liu merkte op:

“FlexRAM zou kunnen worden geïntegreerd in volledige vloeistof‑gebaseerde rekeningsystemen, functionerend als een logische eenheid.”

FlexRAM kan zijn gegevens bovendien tot 43.200 seconden of 12 uur behouden in een omgeving met weinig of geen zuurstof. Ook kan het apparaat keer op keer opnieuw worden gebruikt terwijl het een stabiele prestatie behoudt voor meer dan 3500 cycli. Hoewel een goed begin, ligt het nog ver onder wat traditionele, niet‑flexibele geheugens kunnen, die in de miljoenen liggen.

Groot toepassingspotentieel

Hoewel het apparaat veelbelovende prestaties heeft getoond, zijn de responstijd en het integratieniveau nog niet op commercieel niveau. Dit betekent dat er nog verbeteringen nodig zijn op verschillende fronten, waaronder het fabricageproces, dat momenteel bestaat uit het opeenvolgend vullen van de materialen.

Het team streeft ernaar intelligente en geautomatiseerde fabricageprocessen te gebruiken, samen met 3D‑airborne printing en verpakkings‑technologie.

Toch is de technologie zeer jong en zal het jaren duren voordat het volledig gerealiseerd is. Desalniettemin is het proof‑of‑concept bemoedigend, en deze nieuwe benadering heeft interesse gewekt bij de industrie, met verschillende vloeistof‑gebaseerde concepten die worden onderzocht.

Een dergelijk onderzoek werd gedemonstreerd een paar jaar geleden toen twee nieuwe vloeistof‑gebaseerde opslagconcepten werden voorgesteld — colloïdaal en elektrolithisch geheugen, die potentieel hebben voor extreem hoge‑dichtheid nearline opslagtoepassingen.

Opnieuw, door inspiratie te halen uit vooruitgang in de levenswetenschappen, werd voorgesteld dat het opslagmedium voor het maken van een dicht array van toegangsapparaten een vloeistof zou zijn die ionen, moleculen of (nano‑)deeltjes bevat, die in grotere volumes kunnen worden gemanipuleerd tot een toegangsapparaat dat deel uitmaakt van een dicht array.

IMEC, een R&D‑ en innovatie‑hub in nano‑elektronica en digitale technologieën, voorziet de introductie van vloeistofgeheugen vanaf 2030. Het anticipeert dat met deze benaderingen de bitsopslagdichtheid kan worden geduwd naar het bereik van 1 Tbit/mm² tegen lagere proceskosten per mm². Het merkte ook op dat voor deze opslagoplossingen levensvatbaar te zijn voor nearline‑toepassingen, de technologie een adequate responstijd, energieverbruik, bandbreedte (bijv. 20 Gb/s), cyclische duurzaamheid (10³ lees‑/schrijfcycli) en het vermogen om gegevens gedurende een decennium te behouden, moet hebben.

In een ander voorbeeld, in 2020, haalden onderzoekers een lading uit vloeibare‑metaal‑batterijen. Hier waren het zout‑elektrolyt, de metalen anode en kathode allemaal in vloeibare vorm. Vergeleken met vaste‑state batterijen profiteren vloeibare‑metaal‑batterijen van de snelle diffusie van ionen tussen elektroden, wat snelle laad‑/ontlaadcycli betekent.

Bovendien zijn mechanische spanningen veel minder, en het elimineert de noodzaak voor membranen en scheidingslagen terwijl het de langetermijnstabiliteit en bruikbaarheid verbetert. Het onderzoek stelde dat vloeibare‑metaal‑batterijen, hoewel zwaar, niet brandbaar zijn en geschikter kunnen zijn voor grootschalige elektriciteitsopslag.

Meest recent ontdekten wetenschappers een vloeibaar‑metaal‑gebaseerde composiet dat robuuste elektrische en mechanische verbindingen mogelijk maakt tussen zachte schakelingen en rigide elektrische componenten. De onderzoekers hopen dat dit materiaal, genaamd E‑CASE, een elektrisch geleidend kleefmiddel met zilver en eutectisch gallium‑indium (EGaIn), een rol zal spelen in elektronica, robotica en sensoren.

Dus, terwijl onderzoekers de uitdagingen aanpakken en de technologie verfijnen, kan FlexRAM ook zijn gebruik vinden in implanteerbare elektronica, zachte robotica en hersen‑machine‑interface‑systemen in de toekomst.

Additive Manufacturing bedrijven

#1. Materialise

De in België gevestigde 3D‑printserviceprovider bedient een reeks industrieën, waaronder de automobiel-, luchtvaart‑ en gezondheidszorgsector. In de afgelopen maanden is Materialise verschillende partnerschappen aangegaan, waaronder met Ricoh USA om het gebruik van 3D‑geprinte anatomische modellen te bevorderen, met Proponent om cabine‑oplossingen voor vliegtuigen te 3D‑printen, met Nikon SLM Solutions om geavanceerde Build Processors te ontwikkelen, en met Ansys om simulatie voor 3D‑printen te vereenvoudigen.

Met een marktkapitalisatie van $329 miljoen wordt het aandeel van Materialise (MTLS:NASDAQ) verhandeld tegen $5,57, een daling van 15,16% YTD. Het bedrijf rapporteerde een omzet (TTM) van $272 mln en heeft een EPS (TTM) van 0,05 en een P/E (TTM) van 116,53. Het bedrijf meldde een stijging van 3,2% in de totale omzet tot $63,6 mln ten opzichte van het voorgaande jaar tijdens de 3Q23‑winstrapportage, terwijl de EBITDA een sprong van 55% maakte en de nettowinst met 184% steeg tot $4,2 miljoen.

#2. EOS GmbH

Het in Duitsland gevestigde EOS GmbH is een toonaangevende industriële 3D‑printfabrikant die een FDR‑technologie heeft gelanceerd die de productie van fijne details mogelijk maakt zonder concessies aan kwaliteit. Ondertussen elimineert de Smart Fusion van het bedrijf ondersteunende structuren, verlaagt de kosten, minimaliseert het materiaalgebruik en vermindert de nabewerking. De nieuwe systemen maken bovendien een volledig geautomatiseerde oplossing mogelijk die schaalt in lijn met de productiebehoeften.

Naast EOS GmbH en Materialise kunnen 3D‑printbedrijven zoals Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs en Renishaw helpen bij de commercialisering van Liquid Metal Ram. Ondertussen kunnen bedrijven als Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple en Samsung profiteren van deze nieuwe benadering van opslagsystemen.

Slotwoord

De mogelijkheid van Liquid Metal Ram om bijna elke vervorming te weerstaan, belooft een geweldige toekomst voor elektronische apparaten, die ons leven verder verrijken. Ze bevinden zich echter nog in een vroeg stadium, met meer onderzoek en werk nodig voordat ze gecommercialiseerd kunnen worden.

Hier kan additive manufacturing een sleutelrol spelen door het mogelijk maken van op maat gemaakte ontwerpen en betere integratie van verschillende componenten voor verbeterde prestaties en betrouwbaarheid. Bovendien maakt het snelle prototyping mogelijk, waardoor onderzoekers en bedrijven snelle verbeteringen kunnen doorvoeren terwijl afval wordt verminderd, schaalbaarheid wordt geboden en productie op aanvraag mogelijk is.

Klik hier om alles te leren over het investeren in 3D‑print‑aandelen (additive manufacturing).