Additiv tillverkning kan vara nyckeln till kommersialisering av ‘Liquid Metal Ram’

En ny metod för lagringssystem, utvecklad av forskare vid Tsinghua University i Kina, möjliggör flexibel minne utan att kompromissa med prestandan hos elektroniska enheter. Finansierad av National Natural Science Foundation of China, China Postdoctoral Science Foundation och Shuimu Tsinghua Scholarship Program, denna forskning introducerar “Liquid Metal Memory” i en nyligen publicerad artikel i “Advanced Materials.”

Lagringssystem, som är viktiga komponenter i elektroniska enheter, måste bli mycket mer flexibla i takt med att världen ser mer avancerad bärbar elektronik, biomedicinska enheter och mjuk robotik. Dessa datalagringssystem måste sträckas, böjas och vridas till extrema grader utan att påverka de framväxande enheternas prestanda.

Att uppnå flexibel minne har varit en utmaning på grund av begränsningarna i konventionella lagringsmetoder. Den senaste studien föreslår en ny klass av lagringsprinciper inspirerade av hjärnans polariserings- och depolariseringsmekanismer.

Genom att introducera oxidations- och deoxideringsbeteenden hos flytande metaller, lyckades teamet uppnå helt flexibel minne. Forskarna använde reversibel elektrolytisk oxidation för att modulera den målade flytande metallens totala ledningsförmåga, vilket skapade en betydande 11‑ordnings resistansskillnad för binär datalagring, enligt noteringen.

För att uppnå bästa lagringsprestanda genomfördes systematiska optimeringar av flera parametrar. Konceptuella experiment visade minnestabilitet i extrema deformationsscenarier, inklusive 360° vridning, 180° böjning och 100% sträckning. Ytterligare tester visade bättre prestanda med mindre enhetsstorlekar av minnet.

Teamet drog slutsatsen att deras lagringssystem uppnår en snabb lagringshastighet på över 33 Hz och en lång datalagringskapacitet på mer än 43 200 s, med stabil, repeterbar drift upp till 3 500 cykler. Dessa anmärkningsvärda prestandamått indikerar att den “banbrytande metoden” kan övervinna de inneboende stelhetsbegränsningarna i befintliga elektroniska lagringsenheter samtidigt som den banar väg för innovativa neuromorfa enheter.

Således förändrar flytande metallminne grundläggande traditionella koncept för flexibel minne och erbjuder praktiska vägar för framtida tillämpningar i bio‑inspirerade artificiella intelligenssystem, mjuk robotik och bärbar elektronik.

En okonventionell metod: Användning av en flytande metall

Den ökande användningen av flexibla enheter innebär att efterfrågan på minnes deformabla egenskaper kommer att öka, sade Jing Liu, professor vid Institutionen för biomedicinsk teknik på Tsinghua University i Peking, i en intervju.

Den flexibla resistiva RAM‑enheten kallas FlexRAM och utvecklades med en okonventionell metod — flytande. Denna flytande metall‑RAM lagrar information i en lösningsmiljö, mycket likt hur vår hjärna gör, som består av cirka 70 % vatten.

Genom att använda detta biomimetiska tillvägagångssätt skiljer sig FlexRAM från nuvarande minnessystem, som är fasta. Det biomimetiska tillvägagångssättet, enligt Liu, liknar “de vattenbaserade arbetsmiljöer som finns i levande organismer.”

Hittills har flexibiliteten hos befintliga minnesenheter varit begränsad eftersom de vanligtvis skapas genom att lägga de oflexibla minneskomponenterna på mjuka material. Detta gör enheterna endast delvis flexibla och leder till avflagning och sprickbildning när enheten deformeras.

FlexRAM syftar till att förändra detta genom att använda en legering bestående av gallium och indium som minneskomponent för att tillverka deras lagringsenhet. Galliumbaserade flytande metaller är ett attraktivt material på grund av deras utmärkta egenskaper, såsom hög elektrisk och termisk ledningsförmåga, låg toxicitet och låg viskositet med en vätskig natur vid rumstemperatur.

Inspirerat av hjärnan genomgår materialet oxidation och reduktion i en lösningsmiljö, mycket likt våra hjärnneuroner. Neuronen är polariserad när plasmamembranet inuti har en negativ laddning jämfört med utsidan, och när någon förändring gör den mindre negativ, är det depolarisering.

Dessutom behåller materialet sin flytande tillstånd vid rumstemperatur. Detta underlättar deras oxidation för att bilda ett tätt galliumoxidlager på vätskans yta. Detta lager av galliumoxid motsvarar ett högresistansläge i lagringssystemet och ett lågresistansläge av elementärt gallium, den reducerade formen av vätskan.

Ett högt resistansförhållande, skillnaden mellan resistansen i dessa två tillstånd, är avgörande för minneslagringens prestanda.

Uppnå hög integration och skalbarhet

När det gäller prestanda måste minneslagringsenheter ha många egenskaper, inklusive energieffektivitet, snabba läs‑ och skrivhastigheter, hög lagringstäthet, datalagring, hållbarhet och tillförlitlighet. Problemet ligger i att hitta en balans mellan dessa aspekter samtidigt som enhetens flexibilitet maximeras.

Så för att utveckla en enhet som kan hantera hög grad av deformation använde forskarteamet ett stretchbart polymer som heter Ecoflex som inkapslingsmaterial.

Sedan använde teamet en 3D‑skrivare för att skriva ut Ecoflex‑formar. 3D‑utskrift eller additiv tillverkning möjliggör produktion av komplexa objekt. Det möjliggör tillverkning av produkter som ekonomiskt sett inte var möjliga med traditionell tillverkning. AM betyder i princip att skapa tredimensionella objekt genom att lägga lager av material i en datorgenererad design.

På grund av dess kostnadseffektivitet har 3D‑utskrift gjort tillverkning tillgänglig för massorna för första gången. Samtidigt gör dess förmåga att erbjuda designflexibilitet och snabb prototypframtagning tekniken populär bland forskare och forskare.

När enheten väl var skapad placerades droppar av den galliumbaserade flytande metallen i formens hålrum. För att förhindra läckage av lösningen använde forskarna även droppar av polyvinylacetat‑hydrogel‑lösning, som injicerades separat på grund av dess förmåga att öka enhetens resistansförhållande och förbättra dess mekaniska egenskaper.

Storleken på droppen av flytande metall var betydelsefull här eftersom den avsevärt påverkar förhållandet mellan högresistansläge och lågresistansläge i enheten. En mindre droppstorlek leder till ett ökat förhållande på grund av den förstärkta effekten av ytoxidfilmen. Så, ju mindre droppen är, “desto känsligare blir minnesresponsen.”

“Att minska droppstorleken gynnar integrationen och skalbarheten av FlexRAM, vilket gör helt flexibel, högdensitetsminne till ett lovande alternativ för olika ingenjörsutvecklingar.”

Läsa, skriva och lagra data

När det gäller kodning av data gör FlexRAM det genom oxidations- och reduktionsprocesserna av den flytande metallen.

Så fungerar det: den galliumbaserade flytande metallen oxideras när en låg spänning appliceras. Detta ger den ett högresistansläge av “1”. Vid omvänd spänningspolaritet återgår den flytande metallen till sitt ursprungliga lågresistansläge av “0”. Denna reversibla växlingsprocess möjliggör lagring och radering av minne i enheten.

För att demonstrera FlexRAM:s läs‑ och skrivförmåga integrerade forskarna enheten i en mjukvaru‑ och hårdvarukonfiguration. Genom att använda datorkommandon skrev teamet en sträng av siffror och bokstäver på en matris av åtta FlexRAM‑lagringsenheter.

Dessa bokstäver och siffror kodades i form av 0:or och 1:or och motsvarade 1 byte av datainformation, vilket är långt ifrån konsumentklassens minneskapacitet.

I nästa steg använde teamet en teknik som kallas pulsbreddsmodulering, vilken omvandlade den digitala signalen från datorn till en analog. Tekniken gjorde det möjligt att noggrant kontrollera oxidation och reduktion av den flytande metallen.

Sedan applicerade teamet en kort 1‑volts testspänning under informationsläsning för att mäta systemets resistansläge utan att förändra metallens redox‑tillstånd. Strömmen överförs sedan till datorn, som omvandlar signalen till 0 eller 1 med en algoritm. Slutligen visas det kodade meddelandet på en LED‑skärm.

Även om prototypen är ett flyktigt minne möjliggör principen utvecklingen av enheten till olika former av minne.

Detta kan ses i observationen att data lagrade i enheten kvarstår även när strömmen stängs av. Detta kan innebära att enheten har potential som en form av flexibel lagring och kanske även bortom RAM. Liu noterade:

“FlexRAM skulle kunna integreras i hela vätskebaserade datorsystem och fungera som en logikenhet.”

FlexRAM kan dessutom behålla sina data i upp till 43 200 sekunder eller 12 timmar i en låg‑ eller syrefri miljö. Dessutom kan enheten användas om och om igen samtidigt som den upprätthåller en stabil prestanda i mer än 3 500 cykler. Även om det är en bra början ligger den långt ifrån vad traditionellt men icke‑flexibelt minne kan, vilket är i miljoner.

Omfattande tillämpningspotential

Även om enheten har visat lovande prestanda är dess svarstid och integrationsnivå inte upp till kommersiella standarder. Detta innebär att det fortfarande finns behov av förbättringar på flera områden, inklusive tillverkningsprocessen, som för närvarande innebär att material fylls i sekvens.

Teamet siktar på att använda intelligenta och automatiserade tillverkningsprocesser tillsammans med 3D‑luftburen utskrift och förpackningsteknik.

Tekniken är fortfarande mycket ung och kommer att ta år att fullt realiseras. Med det sagt är beviset på konceptet uppmuntrande, och detta nya tillvägagångssätt har väckt intresse från industrin med flera vätskebaserade koncept som utforskas.

En sådan forskning demonstrerade för ett par år sedan när två nya vätskebaserade lagringskoncept föreslogs — kolloidalt och elektrolitiskt minne, vilka har potential för extremt högdensitets‑närlagringsapplikationer.

Återigen, genom att hämta inspiration från framsteg inom livsvetenskaperna föreslogs lagringsmediet för att skapa en tät matris av åtkomstenheter vara en vätska som innehåller joner, molekyler eller (nano‑)partiklar, vilka kan manipuleras i större volymer till en åtkomstenhet som är en del av en tät matris.

IMEC, ett forsknings‑ och innovationscentrum inom nanoelektronik och digital teknik, förutser införandet av flytande minne från och med 2030. De förutspår att med dessa metoder kan bitlagringstätheten drivas mot 1 Tbit/mm²‑området till en lägre processkostnad per mm². De påpekade också att för att dessa lagringslösningar ska vara livskraftiga för närlinjeapplikationer måste tekniken ha tillräcklig svarstid, energiförbrukning, bandbredd (t.ex. 20 Gb/s), cykeluthållighet (10³ läs‑/skrivcykler) och förmåga att behålla data i ett decennium.

I ett annat exempel, tillbaka år 2020, fick forskare en laddning från flytande metallbatterier. Här var salt‑elektrolyten, metall‑anoden och katoden alla i flytande form. Jämfört med fast‑tillståndsbatterier drar flytande metallbatterier nytta av den snabba diffusionen av joner mellan elektroderna, vilket innebär snabba ladd‑ och urladdningscykler.

Dessutom är de mekaniska påfrestningarna mycket mindre, och det eliminerar behovet av membran och separatorer samtidigt som det förbättrar långsiktig stabilitet och användbarhet. Forskningen konstaterade att flytande metallbatterier, även om de är tunga, är icke‑brandfarliga och kan vara mer lämpliga för storskalig el‑lagring.

Senast har forskare upptäckte ett flytande metallbaserat komposit som möjliggör robusta elektriska och mekaniska anslutningar mellan mjuk kretskort och styva elektriska komponenter. Forskarna hoppas att detta material, kallat E-CASE, som är ett elektriskt ledande lim med silver och eutektisk gallium‑indium (EGaIn), ska spela en roll inom elektronik, robotik och sensorer.

Således, när forskarna tacklar utmaningar och förfinar tekniken, kan FlexRAM också hitta sin användning i implanterbar elektronik, mjuk robotik och hjärn‑maskin‑gränssnittssystem i framtiden.

Företag inom additiv tillverkning

#1. Materialise

Den belgiska 3D‑utskriftstjänsteleverantören betjänar en rad industrier, inklusive fordons-, rymd- och sjukvårdssektorn. Under de senaste månaderna har Materialise ingått flera partnerskap, bland annat med Ricoh USA för att främja användningen av 3D‑utskrivna anatomiska modeller, med Proponent för att 3D‑skriva kabinlösningar för flygplan, med Nikon SLM Solutions för att utveckla avancerade byggprocessorer och med Ansys för att förenkla simulering för 3D‑utskrift.

Med ett börsvärde på 329 miljoner dollar har aktien i Materialise (MTLS:NASDAQ) handlats till 5,57 $, ned 15,16 % år till datum. Företaget rapporterade en omsättning (TTM) på 272 miljoner dollar och har ett EPS (TTM) på 0,05 samt ett P/E (TTM) på 116,53. Företaget rapporterade en 3,2 % ökning i sin totala omsättning till 63,6 miljoner dollar jämfört med föregående år under sin 3Q23‑resultatrapport, medan EBITDA steg med 55 % och nettovinsten ökade med 184 % till 4,2 miljoner dollar.

#2. EOS GmbH

Det tyska företaget EOS GmbH är en ledande industriell tillverkare av 3D‑utskrifter som har lanserat en FDR‑teknik som möjliggör produktion av fina detaljer utan att kompromissa med kvaliteten. Samtidigt eliminerar företagets Smart Fusion stödstrukturer, sänker kostnader, minimerar materialanvändning och minskar efterbearbetningskraven. Dess nya system möjliggör dessutom en helt automatiserad lösning som skalar i takt med produktionsbehoven.

Förutom EOS GmbH och Materialise kan 3D‑utskriftsföretag som Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs och Renishaw hjälpa till att kommersialisera Liquid Metal Ram. Samtidigt kan företag som Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL‑labs, BrainGate, Apple och Samsung dra nytta av detta nya tillvägagångssätt för lagringssystem.

Slutord

Liquid Metal Ram:s förmåga att motstå nästan vilken deformation som helst lovar en stor framtid för elektroniska enheter och berikar våra liv ytterligare. De befinner sig dock fortfarande i ett tidigt stadium, med mer forskning och arbete som behövs innan de kan kommersialiseras.

Här kan additiv tillverkning spela en nyckelroll genom att möjliggöra anpassade designer och bättre integration av olika komponenter för förbättrad prestanda och tillförlitlighet. Dessutom möjliggör den snabb prototypframtagning, vilket gör att forskare och företag kan göra snabba förbättringar samtidigt som avfall minskas, vilket erbjuder skalbarhet och produktion på begäran.

Klicka här för att lära dig allt om att investera i 3D‑utskriftsaktier (additiv tillverkning).