Manufatura Aditiva Pode Ser a Chave para Comercializar o ‘Ram de Metal Líquido’

Uma nova abordagem para sistemas de armazenamento, alcançada por pesquisadores da Universidade Tsinghua na China, permite memória flexível sem comprometer o desempenho dos dispositivos eletrônicos. Financiado pela National Natural Science Foundation of China, pela China Postdoctoral Science Foundation e pelo Programa de Bolsa Shuimu Tsinghua, esta pesquisa introduz “Memória de Metal Líquido” em uma publicação recente em “Advanced Materials.”

Os sistemas de armazenamento, componentes vitais dos dispositivos eletrônicos, precisam se tornar muito mais flexíveis à medida que o mundo vê eletrônicos vestíveis avançados, dispositivos biomédicos e robótica macia. Esses sistemas de armazenamento de dados devem esticar, dobrar e torcer em extremos sem afetar o desempenho dos dispositivos emergentes.

Alcançar memória flexível tem sido desafiador devido às limitações das metodologias de armazenamento convencionais. O estudo mais recente propõe uma nova classe de princípios de armazenamento inspirados nos mecanismos de polarização e despolarização do cérebro humano.

Ao introduzir comportamentos de oxidação e desoxidação de metais líquidos, a equipe alcançou memória totalmente flexível. Os pesquisadores utilizaram oxidação eletroquímica reversível para modular a condutividade geral dos metais líquidos-alvo, criando uma diferença de resistência de 11 ordens de magnitude para armazenamento de dados binários, como observado.

Para obter o melhor desempenho de armazenamento, foram realizadas otimizações sistemáticas de múltiplos parâmetros. Experimentos conceituais mostraram estabilidade da memória em cenários de deformação extrema, incluindo torção de 360°, flexão de 180° e alongamento de 100%. Testes adicionais demonstraram melhor desempenho com unidades de memória de tamanho menor.

A equipe concluiu que seu sistema de armazenamento atinge uma velocidade de gravação rápida de mais de 33 Hz e uma capacidade de retenção de dados de mais de 43200 s, com operação estável e repetível em até 3500 ciclos. Essas métricas de desempenho notáveis indicam que o “método inovador” pode superar as limitações de rigidez inerentes das unidades de armazenamento eletrônico existentes, ao mesmo tempo que abre caminho para dispositivos neuromórficos inovadores.

Assim, a memória de metal líquido altera fundamentalmente os conceitos tradicionais de memória flexível, oferecendo caminhos práticos para futuras aplicações em sistemas de inteligência artificial bioinspirados, robótica macia e eletrônicos vestíveis.

Uma Abordagem Não Convencional: Usando um Metal Líquido

O uso crescente de dispositivos flexíveis significa que a demanda pelas características deformáveis da memória aumentará, disse Jing Liu, professor do Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade Tsinghua em Pequim, em entrevista.

O dispositivo de RAM resistiva flexível é chamado FlexRAM e foi desenvolvido com uma abordagem não convencional — líquida. Esta RAM de metal líquido armazena informações em um ambiente de solução, muito parecido com o nosso cérebro, que é cerca de 70% água.

Ao adotar essa abordagem biomimética, o FlexRAM se diferencia dos sistemas de memória atuais, que são sólidos. A abordagem biomimética, segundo Liu, é semelhante aos “ambientes aquosos de trabalho encontrados em organismos vivos”.

Até agora, a flexibilidade dos dispositivos de memória existentes tem sido limitada porque geralmente são criados depositando os componentes de memória inflexíveis sobre materiais macios. Isso torna os dispositivos apenas parcialmente flexíveis e leva ao descolamento e rachaduras quando o dispositivo é deformado.

O FlexRAM pretende mudar isso usando uma liga composta de gálio e índio como componente de memória para fabricar seu dispositivo de armazenamento. Metais líquidos à base de gálio são um material atraente devido às suas excelentes características, como alta condutividade elétrica e térmica, baixa toxicidade e baixa viscosidade com natureza fluida à temperatura ambiente.

Inspirado pelo cérebro, o material passa por oxidação e redução em um ambiente de solução, muito parecido com os neurônios do nosso cérebro. O neurônio é polarizado quando a membrana plasmática interna tem carga negativa em relação ao exterior, e quando quaisquer mudanças a tornam menos negativa, isso é despolarização.

Além disso, o material mantém seu estado líquido à temperatura ambiente. Isso facilita sua oxidação para formar uma camada densa de óxido de gálio na superfície do líquido. Essa camada de óxido de gálio corresponde a um estado de alta resistência elétrica do sistema de armazenamento e a um estado de baixa resistência do gálio elementar, a forma reduzida do líquido.

Uma alta razão de resistência, a diferença entre a resistência desses dois estados, é essencial para o desempenho do armazenamento de memória.

Alcançando Alta Integração e Escalabilidade

Quando se trata de desempenho, os dispositivos de armazenamento de memória precisam ter muitas características, incluindo eficiência energética, velocidades rápidas de leitura e escrita, alta densidade de armazenamento, retenção de dados, durabilidade e confiabilidade. O problema está em equilibrar esses aspectos enquanto maximiza a flexibilidade do dispositivo.

Portanto, para desenvolver um dispositivo que possa lidar com altos níveis de deformação, a equipe de pesquisadores utilizou um polímero extensível chamado Ecoflex como material de encapsulamento.

Em seguida, a equipe utilizou uma impressora 3D para imprimir moldes de Ecoflex. Impressão 3D ou manufatura aditiva permite a produção de objetos complexos. Ela permite a produção de itens que não eram economicamente possíveis com a manufatura tradicional. AM basicamente significa criar objetos tridimensionais colocando camadas de material em um design criado por computador.

Devido à sua relação custo-benefício, impressão 3D tornou a manufatura acessível às massas pela primeira vez. Enquanto isso, sua capacidade de oferecer flexibilidade de design e prototipagem rápida torna essa técnica popular entre cientistas e pesquisadores.

Assim, uma vez que o dispositivo foi criado, gotas do metal líquido à base de gálio foram colocadas nas cavidades dos moldes. Para evitar vazamento da solução, os pesquisadores também usaram gotas da solução de hidrogel de acetato de polivinila, que foi injetada separadamente devido à sua capacidade de aumentar a razão de resistência do dispositivo e melhorar suas propriedades mecânicas.

O tamanho da gota de metal líquido era significativo aqui, pois afeta consideravelmente a razão entre o estado de alta resistência e o estado de baixa resistência no dispositivo. Um tamanho de gota menor leva a uma razão aumentada devido ao impacto amplificado da película de óxido superficial. Portanto, quanto menor o tamanho da gota, “mais sensível a resposta da memória”.

Liu disse:

“Reduzir o tamanho da gota beneficia a integração e escalabilidade do FlexRAM, tornando a memória totalmente flexível e de alta densidade uma opção promissora para diversos desenvolvimentos de engenharia.”

Leitura, Escrita e Armazenamento de Dados

Agora, quando se trata de codificar dados, o FlexRAM faz isso através dos processos de oxidação e redução do metal líquido.

Então, o funcionamento é que o metal líquido à base de gálio é oxidado quando uma baixa voltagem é aplicada. Isso lhe confere um estado de alta resistência de “1”. Ao inverter a polaridade da voltagem, o metal líquido retorna ao seu estado inicial de baixa resistência de “0”. Esse processo de comutação reversível permite que a memória seja armazenada e apagada no dispositivo.

Para demonstrar a capacidade de leitura e escrita do FlexRAM, os pesquisadores integraram o dispositivo em um conjunto de software e hardware. Usando comandos de computador, a equipe escreveu uma sequência de números e letras em uma matriz de oito unidades de armazenamento FlexRAM.

Essas letras e números foram codificados na forma de 0s e 1s e corresponderam a 1 byte de informação de dados, o que está longe da capacidade de memória de nível consumidor.

Na etapa seguinte, a equipe utilizou uma técnica chamada modulação por largura de pulso, que converteu o sinal digital do computador em um analógico. A técnica permitiu controlar cuidadosamente a oxidação e redução do metal líquido.

Então, a equipe aplicou uma curta voltagem de teste de 1 volt durante a leitura de informações para medir o estado de resistência do sistema sem alterar o estado redox do metal. A corrente é então transmitida ao computador, que converte o sinal em 0 ou 1 usando um algoritmo. Finalmente, a mensagem codificada é exibida em uma tela LED.

Embora o protótipo seja uma memória volátil, o princípio permite o desenvolvimento do dispositivo em diferentes formas de memória.

Isso pode ser observado na constatação de que os dados armazenados no dispositivo persistem mesmo quando a energia é desligada. Isso pode significar que o dispositivo tem potencial como forma de armazenamento flexível e talvez além da RAM. Liu observou:

“O FlexRAM poderia ser incorporado em sistemas de computação totalmente baseados em líquido, funcionando como um dispositivo lógico.”

O FlexRAM pode ainda reter seus dados por até 43.200 segundos ou 12 horas em um ambiente com baixo ou nenhum oxigênio. Além disso, o dispositivo pode ser usado repetidamente mantendo desempenho estável por mais de 3500 ciclos. Embora seja um bom começo, está longe do que a memória tradicional, porém não flexível, é capaz, que chega a milhões.

Enorme Potencial de Aplicação

Embora o dispositivo tenha demonstrado desempenho promissor, seu tempo de resposta e nível de integração não atendem aos padrões comerciais. Isso significa que ainda há necessidade de melhorias em várias frentes, incluindo o procedimento de fabricação, que, atualmente, envolve o preenchimento dos materiais em sequência.

A equipe pretende usar processos de fabricação inteligentes e automatizados juntamente com impressão 3D aérea e tecnologia de embalagem.

Ainda assim, a tecnologia é muito jovem e levará anos para ser totalmente realizada. Dito isso, a prova de conceito é encorajadora, e essa nova abordagem atraiu interesse da indústria com vários conceitos baseados em líquido sendo explorados.

Uma dessas pesquisas foi demonstrada há alguns anos, quando dois novos conceitos de armazenamento baseados em líquido foram propostos — memória coloidal e eletrolítica, que têm potencial para aplicações de armazenamento nearline de altíssima densidade.

Novamente, ao se inspirar nos avanços das ciências da vida, o meio de armazenamento para criar uma matriz densa de dispositivos de acesso foi proposto como um líquido contendo íons, moléculas ou (nano)partículas, que podem ser manipulados em volumes maiores para um dispositivo de acesso que faz parte de uma matriz densa.

A IMEC, um centro de P&D e inovação em nanoeletrônica e tecnologias digitais, prevê a introdução da memória líquida a partir de 2030. Ela antecipa que, com essas abordagens, a densidade de armazenamento de bits pode ser empurrada para a faixa de 1 Tbit/mm² a um custo de processo menor por mm². Também observou que, para que essas soluções de armazenamento sejam viáveis para aplicações nearline, a tecnologia deve ter tempo de resposta adequado, consumo de energia, largura de banda (por exemplo, 20 Gb/s), resistência ao ciclo (10³ ciclos de leitura/gravação) e a capacidade de reter dados por uma década.

Em outra instância, em 2020, pesquisadores obtiveram carga a partir de baterias de metal líquido. Aqui, o eletrólito salino, o ânodo metálico e o cátodo estavam todos em forma líquida. Comparadas às baterias de estado sólido, as baterias de metal líquido beneficiam-se da rápida difusão de íons entre os eletrodos, o que significa ciclos de carga‑descarga rápidos. 

Além disso, os esforços mecânicos são muito menores, e elimina a necessidade de membranas e separadores, ao mesmo tempo que melhora a estabilidade e utilidade a longo prazo. A pesquisa afirmou que as baterias de metal líquido, embora pesadas, não são inflamáveis e podem ser mais adequadas para armazenamento de energia em larga escala.

Mais recentemente, cientistas descobriram um compósito à base de metal líquido que permite conexões elétricas e mecânicas robustas entre circuitos macios e componentes elétricos rígidos. Os pesquisadores esperam que esse material, chamado E-CASE, que é um adesivo condutor elétrico com prata e gálio‑índio eutético (EGaIn), desempenhe um papel em eletrônica, robótica e sensores.

Portanto, à medida que os pesquisadores enfrentam desafios e refinam a tecnologia, o FlexRAM também pode encontrar seu uso em eletrônicos implantáveis, robótica macia e sistemas de interface cérebro‑máquina no futuro.

Empresas de Manufatura Aditiva

#1. Materialise

O fornecedor belga de serviços de impressão 3D atende a uma variedade de indústrias, incluindo automotiva, aeroespacial e saúde. Nos últimos meses, a Materialise firmou várias parcerias, incluindo com a Ricoh USA para promover o uso de modelos anatômicos impressos em 3D, com a Proponent para imprimir soluções de cabine para aeronaves, com a Nikon SLM Solutions para desenvolver Processadores de Construção avançados, e com a Ansys para simplificar a simulação para impressão 3D.

Com uma capitalização de mercado de US$ 329 milhões, as ações da Materialise (MTLS:NASDAQ) têm sido negociadas a US$ 5,57, queda de 15,16% no ano. A empresa registrou uma receita (TTM) de US$ 272 milhões e tem um EPS (TTM) de 0,05 e um P/E (TTM) de 116,53. A empresa reportou um aumento de 3,2% em sua receita total para US$ 63,6 milhões em relação ao ano anterior durante seu relatório de resultados do 3T23, enquanto seu EBITDA teve um salto de 55% e o lucro líquido aumentou 184% para US$ 4,2 milhões.

#2. EOS GmbH

A EOS GmbH, com sede na Alemanha, é uma fabricante líder de impressão 3D industrial que lançou uma tecnologia FDR que permite a produção de detalhes finos sem sacrificar a qualidade. Enquanto isso, a tecnologia Smart Fusion da empresa elimina estruturas de suporte, reduz custos, minimiza o uso de material e diminui os requisitos de pós‑processamento. Seus novos sistemas permitem ainda uma solução totalmente automatizada que escala de acordo com as necessidades de produção.

Além da EOS GmbH e da Materialise, empresas de impressão 3D como Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs e Renishaw podem ajudar na comercialização do Ram de Metal Líquido. Enquanto isso, empresas como Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple e Samsung podem se beneficiar desta nova abordagem para sistemas de armazenamento.

Palavra Final

A capacidade do Ram de Metal Líquido de suportar quase qualquer deformação promete um grande futuro para dispositivos eletrônicos, enriquecendo ainda mais nossas vidas. No entanto, ainda estão em estágio inicial, necessitando de mais pesquisas e trabalhos antes de serem comercializados.

Aqui, a manufatura aditiva pode desempenhar um papel fundamental ao permitir designs personalizados e melhor integração de diferentes componentes para desempenho e confiabilidade aprimorados. Além disso, permite prototipagem rápida, possibilitando que pesquisadores e empresas façam melhorias rápidas enquanto reduzem o desperdício, oferecendo escalabilidade e produção sob demanda.

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