Additiv produksjon kan være nøkkelen til kommersialisering av ‘Liquid Metal Ram’

En ny tilnærming til lagringssystemer, oppnådd av forskere fra Tsinghua University i Kina, gjør fleksibel minne mulig uten å gå på kompromiss med ytelsen til elektroniske enheter. Finansiert av National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation og Shuimu Tsinghua Scholarship Program, denne forskningen introducerer «Liquid Metal Memory» i en nylig publisering i «Advanced Materials».

Lagringssystemer, som er vitale komponenter i elektroniske enheter, må bli langt mer fleksible etter hvert som verden ser flere avanserte bærbare elektronikker, biomedisinske enheter og myke roboter. Disse datalagringssystemene må strekkes, bøyes og vrides til ekstreme grader uten å påvirke de fremvoksende enhetenes ytelse.

Å oppnå fleksibel minne har vært utfordrende på grunn av begrensningene i konvensjonelle lagringsmetoder. Den nyeste studien foreslår en ny klasse av lagringsprinsipper inspirert av hjernens polariserings- og depolariseringsmekanismer.

Ved å introdusere oksidasjons- og deoksidasjonsatferd av flytende metaller, oppnådde teamet fullstendig fleksibel minne. Forskerne benyttet reversibel elektro‑kjemisk oksidasjon for å modulere den totale ledningsevnen til mål‑flytende metaller, og skapte en betydelig 11‑ordens motstands‑forskjell for binær datalagring, som notert.

For å oppnå best lagringsytelse ble systematiske optimaliseringer av flere parametere gjennomført. Konseptuelle eksperimenter viste minnestabilitet i ekstreme deformasjonsscenarier, inkludert 360° vridning, 180° bøying og 100% strekk. Ytterligere tester demonstrerte bedre ytelse med mindre enhetsstørrelser for minnet.

Teamet konkluderte med at deres lagringssystem oppnår en rask lagringshastighet på over 33 Hz og en lang datalagringskapasitet på mer enn 43 200 s, med stabil, repeterbar drift opp til 3500 sykluser. Disse bemerkelsesverdige ytelsesmetrikkene indikerer at den «banebrytende metoden» kan overvinne de iboende stivhetsbegrensningene i eksisterende elektroniske lagringsenheter samtidig som den baner vei for innovative nevromorfe enheter.

Dermed endrer flytende metall‑minne grunnleggende tradisjonelle konsepter for fleksibel minne, og tilbyr praktiske veier for fremtidige anvendelser i bio‑inspirerte kunstige intelligenssystemer, myke roboter og bærbare elektronikker.

En ukonvensjonell tilnærming: Bruk av en flytende metall

Den økende bruken av fleksible enheter betyr at etterspørselen etter de deformable egenskapene til minne vil vokse, sa Jing Liu, professor i avdelingen for biomedisinsk ingeniørkunst ved Tsinghua University i Beijing, i et intervju.

Den fleksible resistive RAM‑enheten kalles FlexRAM og er utviklet med en ukonvensjonell tilnærming — flytende. Denne flytende metall‑RAM‑en lagrer informasjon i et løsningsmiljø, på samme måte som hjernen vår, som består av omtrent 70 % vann.

Ved å ta denne biomimetiske tilnærmingen skiller FlexRAM seg fra nåværende minnesystemer, som er solide. Den biomimetiske tilnærmingen, ifølge Liu, er lik «de vannbaserte arbeidsmiljøene som finnes i levende organismer».

Så langt har fleksibiliteten til eksisterende minneenheter vært begrenset fordi de vanligvis er laget ved å legge de stive minnekomponentene på myke materialer. Dette gjør enhetene kun delvis fleksible og fører til avskalling og sprekker når enheten deformeres.

FlexRAM har som mål å endre dette ved å bruke en legering bestående av gallium og indium som minnekomponent for å fremstille lagringsenheten. Gallium‑baserte flytende metaller er et attraktivt materiale på grunn av deres fremragende egenskaper, som høy elektrisk og termisk ledningsevne, lav toksisitet og lav viskositet med en væskende natur ved romtemperatur.

Inspirert av hjernen gjennomgår materialet oksidasjon og reduksjon i et løsningsmiljø, på samme måte som våre hjerne‑nevroner. Nevronet er polariserte når plasmamembranen inni har en negativ ladning sammenlignet med utsiden, og når noen endringer gjør den mindre negativ, er det depolarisering.

I tillegg beholder materialet sin flytende tilstand ved romtemperatur. Dette gjør at oksidasjonen kan danne et tett gallium‑oksidlag på overflaten av væsken. Dette laget av gallium‑oksid tilsvarer en høy elektrisk motstandstilstand i lagringssystemet og en lav‑motstandstilstand av elementært gallium, den reduserte formen av væsken.

Et høyt motstandsforhold, forskjellen mellom motstanden i disse to tilstandene, er essensielt for minnelagringsytelse.

Oppnå høy integrasjon og skalerbarhet

Når det gjelder ytelse, må minnelagringsenheter ha mange egenskaper, inkludert energieffektivitet, raske lese‑ og skrivehastigheter, høy lagringstetthet, datalagring, holdbarhet og pålitelighet. Problemet oppstår når man skal balansere disse aspektene samtidig som man maksimerer enhetens fleksibilitet.

Derfor, for å utvikle en enhet som kan håndtere høye nivåer av deformasjon, brukte forskerteamet et strekkbart polymer kalt Ecoflex som innkapslingsmateriale.

Deretter benyttet teamet en 3D‑printer til å skrive ut Ecoflex‑former. 3D‑printing eller additiv produksjon gjør det mulig å produsere komplekse objekter. Det gjør produksjon av elementer mulig som ikke var økonomisk gjennomførbare med tradisjonell produksjon. AM betyr i bunn og grunn å lage tredimensjonale objekter ved å legge lag av materiale i et datagenerert design.

På grunn av sin kostnadseffektivitet har 3D‑printing gjort produksjon tilgjengelig for massene for første gang. Samtidig gjør dens evne til å tilby designfleksibilitet og rask prototyping denne teknikken populær blant forskere og utviklere.

Så, da enheten var laget, ble dråper av den gallium‑baserte flytende metallen plassert i formhullene. For å hindre lekkasje av løsningen, brukte forskerne også dråper av polyvinylacetat‑hydrogel‑løsning, som ble injisert separat på grunn av dens evne til å øke motstandsforholdet i enheten og forbedre dens mekaniske egenskaper.

Størrelsen på dråpen av flytende metall var betydningsfull her, da den i stor grad påvirker forholdet mellom høy‑motstands‑ og lav‑motstands‑tilstand i enheten. En mindre dråpestørrelse fører til et økt forhold på grunn av den forsterkede påvirkningen fra overflate‑oksidfilmen. Så, jo mindre dråpen er, «jo mer sensitiv er minne‑responsen».

Liu sa:

«Å redusere dråpestørrelsen gagner integrasjonen og skalerbarheten til FlexRAM, og gjør fullstendig fleksibel, høy‑tetthets‑minne til et lovende alternativ for ulike ingeniørutviklinger.»

Lese, skrive og lagre data

Nå, når det gjelder koding av data, gjør FlexRAM dette gjennom oksidasjons‑ og reduksjonsprosessene til det flytende metallet.

Måten det fungerer på er at den gallium‑baserte flytende metallen oksideres når en lav spenning påføres. Dette gir den en høy‑motstands‑tilstand av «1». Ved å reversere spenningens polaritet, går den flytende metallen tilbake til sin opprinnelige lav‑motstands‑tilstand av «0». Denne reversible bryterprosessen gjør at minnet kan lagres og slettes i enheten.

For å demonstrere FlexRAMs lese‑ og skriveevne integrerte forskerne enheten i en programvare‑ og maskinvare‑oppsett. Ved å bruke datamaskinkommandoer skrev teamet en streng av tall og bokstaver på et array av åtte FlexRAM‑lagringsenheter.

Disse bokstavene og tallene ble kodet i form av 0‑er og 1‑ere og tilsvarte 1 byte med datainformasjon, som er langt fra forbruker‑grad minnekapasitet.

I neste steg brukte teamet en teknikk kalt puls‑bredde‑modulering, som konverterte det digitale signalet fra datamaskinen til et analogt. Teknikken tillot dem å nøye kontrollere oksidasjon og reduksjon av det flytende metallet.

Deretter påførte teamet en kort 1‑volt testspenning under informasjonslesing for å måle motstandstilstanden i systemet uten å endre redoks‑tilstanden til metallet. Strømmen blir så overført til datamaskinen, som konverterer signalet til 0 eller 1 ved hjelp av en algoritme. Til slutt vises den kodede meldingen på en LED‑skjerm.

Selv om prototypen er et flyktig minne, tillater prinsippet utvikling av enheten til ulike former for minne.

Dette kan sees i observasjonen at data lagret i enheten vedvarer selv når strømmen slås av. Dette kan bety at enheten har potensial som en form for fleksibel lagring og kanskje utover RAM. Liu bemerket:

«FlexRAM kan integreres i hele flytende‑baserte datamaskinsystemer, og fungere som en logisk enhet.»

FlexRAM kan videre beholde sine data i opptil 43 200 sekunder eller 12 timer i et lav‑ eller ingen‑oksygen‑miljø. I tillegg kan enheten brukes igjen og igjen mens den opprettholder stabil ytelse i mer enn 3500 sykluser. Selv om dette er en god start, er det langt fra hva tradisjonell, men ikke‑fleksibel, minne kan, som er i millioner.

Stort anvendelsespotensial

Selv om enheten har vist lovende ytelse, er responstid og integrasjonsnivå ikke opp til kommersielle standarder. Dette betyr at det fortsatt er behov for forbedringer på flere fronter, inkludert produksjonsprosedyren, som per nå innebærer påfølgende fylling av materialene.

Teamet har som mål å bruke intelligente og automatiserte produksjonsprosesser sammen med 3D‑luftbåren printing og pakkingsteknologi.

Likevel er teknologien svært ung og vil ta år før den er fullt realisert. Når det er sagt, er proof‑of‑concept oppmuntrende, og denne nye tilnærmingen har tiltrukket interesse fra industrien med flere flytende‑baserte konsepter som utforskes.

En slik forskning ble demonstrert for et par år siden da to nye flytende‑baserte lagringskonsepter ble foreslått — kolloidalt og elektrolithisk minne, som har potensial for ekstremt høy‑tetthets‑nearline‑lagringsapplikasjoner.

Igjen, ved å hente inspirasjon fra fremskritt innen livsvitenskap, ble lagringsmediet for å lage et tett array av tilgangsenheter foreslått å være en væske som inneholder ioner, molekyler eller (nano‑)partikler, som kan manipuleres i større volumer til en tilgangsenhet som er en del av et tett array.

IMEC, et FoU‑ og innovasjonsknutepunkt innen nanoelektronikk og digitale teknologier, forutser innføringen av flytende minne fra 2030 og fremover. De forventer at med disse tilnærmingene kan bit‑lagringstettheten presses mot 1 Tbit/mm²‑området til lavere prosesskostnad per mm². De bemerket også at for at disse lagringsløsningene skal være levedyktige for nearline‑applikasjoner, må teknologien ha tilstrekkelig responstid, energiforbruk, båndbredde (f.eks. 20 Gb/s), syklusstabilitet (10³ lese/skriv‑sykluser) og evnen til å beholde data over et tiår.

I en annen forekomst, tilbake i 2020, fikk forskere en ladning fra flytende metall‑batterier. Her var salt‑elektrolytt, metall‑anode og katode alle i flytende form. Sammenlignet med fast‑state‑batterier drar flytende metall‑batterier nytte av rask ion‑diffusjon mellom elektroder, noe som betyr raske lade‑/utladnings‑sykluser.

I tillegg er mekaniske spenninger mye mindre, og det fjerner behovet for membraner og separatorer samtidig som det forbedrer langsiktig stabilitet og nytteverdi. Forskningen uttalte at flytende metall‑batterier, selv om de er tunge, er ikke‑brannfarlige og kan være mer egnet for storskala elektrisitetslagring.

Nylig har forskere oppdaget et flytende metall‑basert kompositt som muliggjør robuste elektriske og mekaniske forbindelser mellom myk kretsløp og stive elektriske komponenter. Forskerne håper at dette materialet, kalt E‑CASE, som er en elektrisk ledende lim med sølv og eutektisk gallium‑indium (EGaIn), vil spille en rolle i elektronikk, robotikk og sensorer.

Så, etter hvert som forskerne adresserer utfordringer og finjusterer teknologien, kan FlexRAM også finne sin bruk i implanterbare elektronikker, myke roboter og hjerne‑maskin‑grensesnittssystemer i fremtiden.

Additiv produksjonsbedrifter

#1. Materialise

Den belgisk‑baserte 3D‑printtjenesteleverandøren betjener en rekke industrier, inkludert bil, luftfart og helsevesen. I løpet av de siste par månedene inngikk Materialise flere partnerskap, inkludert med Ricoh USA for å fremme bruk av 3D‑printede anatomiske modeller, med Proponent for å 3D‑printe kabinløsninger for fly, Nikon SLM Solutions for å utvikle avanserte byggeprosessorer, og med Ansys for å forenkle simulering for 3D‑printing.

Med en markedsverdi på 329 millioner dollar har aksjen til Materialise (MTLS:NASDAQ) handlet til 5,57 $, ned 15,16 % år‑til‑dato. Selskapet rapporterte en inntekt (TTM) på 272 millioner $ og har en EPS (TTM) på 0,05 og en P/E (TTM) på 116,53. Selskapet rapporterte en 3,2 % økning i total inntekt til 63,6 millioner $ fra året før under sin 3Q23‑resultatrapport, mens EBITDA steg med 55 % og nettoresultatet økte med 184 % til 4,2 millioner $.

#2. EOS GmbH

Den tysk‑baserte EOS GmbH er en ledende industriell 3D‑printprodusent som har lansert en FDR‑teknologi som gjør produksjon av fine detaljer mulig uten å gå på kompromiss med kvaliteten. I mellomtiden eliminerer selskapets Smart Fusion støtte‑strukturer, senker kostnader, minimerer materialbruk og reduserer etterbehandlingskrav. De nye systemene tillater også en fullt automatisert løsning som skalerer i takt med produksjonsbehovene.

I tillegg til EOS GmbH og Materialise kan 3D‑printbedrifter som Stratasys, GE Additive, Desktop Metal , Formlabs og Renishaw bidra til kommersialisering av Liquid Metal Ram. Samtidig kan selskaper som Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple (AAPL ) og Samsung dra nytte av denne nye tilnærmingen til lagringssystemer.

Avsluttende ord

Liquid Metal Ram sin evne til å tåle nesten enhver deformasjon lover en stor fremtid for elektroniske enheter, og beriker livene våre ytterligere. Imidlertid er de fortsatt i en tidlig fase, med mer forskning og arbeid nødvendig før de kan kommersialiseres.

Her kan additiv produksjon spille en nøkkelrolle ved å tillate tilpassede design og bedre integrasjon av ulike komponenter for forbedret ytelse og pålitelighet. Videre gjør det mulig rask prototyping, som gjør at forskere og selskaper kan gjøre raske forbedringer samtidig som avfall reduseres, og tilbyr skalerbarhet og on‑demand‑produksjon.

Klikk her for å lære alt om investering i 3D‑print‑aksjer (additiv produksjon).