Additive Manufacturing
Maaaring Maging Susi ang Additive Manufacturing sa Pagkomersyalisa ng ‘Liquid Metal Ram’
Isang bagong pamamaraan sa mga sistema ng imbakan, na isinagawa ng mga mananaliksik mula sa Tsinghua University sa Tsina, ay nagbibigay-daan sa flexible na memorya nang hindi isinasakripisyo ang pagganap ng mga elektronikong aparato. Pinondohan ng National Natural Science Foundation of China, ang China Postdoctoral Science Foundation, at ang Shuimu Tsinghua Scholarship Program, ang pananaliksik na ito na nagpakilala ng “Liquid Metal Memory” sa isang kamakailang publikasyon sa “Advanced Materials.”
Ang mga sistema ng imbakan, na mahalagang bahagi ng mga elektronikong aparato, ay kailangang maging mas flexible habang dumarami ang mga advanced na wearable electronics, biomedical devices, at soft robotics. Ang mga sistemang ito ng pag-iimbak ng datos ay dapat na mag-unat, yumuko, at mag-twist sa matinding antas nang hindi naaapektuhan ang pagganap ng mga umuusbong na aparato.
Ang pag-abot ng flexible na memorya ay naging hamon dahil sa mga limitasyon ng tradisyunal na metodolohiya ng imbakan. Ang pinakabagong pag-aaral ay nagmumungkahi ng isang bagong klase ng prinsipyo ng imbakan na inspirasyon ng mga mekanismo ng polarization at depolarization ng utak ng tao.
Sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga pag-uugali ng oksidasyon at de-oksidasyon ng mga liquid metal, nakamit ng koponan ang ganap na flexible na memorya. Gumamit ang mga mananaliksik ng reversible electrochemical oxidation upang baguhin ang kabuuang conductivity ng target na liquid metal, na lumikha ng makabuluhang 11-order na pagkakaiba sa resistensya para sa binary na pag-iimbak ng datos, ayon sa tala.
Upang makuha ang pinakamainam na pagganap ng imbakan, isinagawa ang sistematikong pag-optimize ng maraming parameter. Ipinakita ng mga konseptwal na eksperimento ang katatagan ng memorya sa mga matinding senaryo ng pagbaluktot, kabilang ang 360° na pag-twist, 180° na pag-bend, at 100% na pag-unat. Ipinakita rin ng karagdagang mga pagsubok ang mas mahusay na pagganap sa mas maliliit na sukat ng yunit ng memorya.
Napagpasyahan ng koponan na ang kanilang sistema ng imbakan ay nakakamit ng mabilis na bilis ng pag-iimbak na higit sa 33 Hz at mahabang kapasidad ng pag-retain ng datos na higit sa 43200 s, na may matatag, paulit-ulit na operasyon hanggang 3500 na cycle. Ang mga kahanga-hangang metric na ito ay nagpapahiwatig na ang “rebolusyonaryong pamamaraan” ay maaaring lampasan ang likas na katigasan ng umiiral na mga elektronikong yunit ng imbakan habang nagbubukas ng daan para sa mga makabagong neuromorphic na aparato.
Sa gayon, ang liquid metal memory ay fundamentally binabago ang tradisyunal na konsepto ng flexible memory, na nag-aalok ng praktikal na mga landas para sa mga hinaharap na aplikasyon sa mga bio-inspired na artificial intelligence system, soft robotics, at wearable electronics.
Isang Di-Pangkaraniwang Lapit: Paggamit ng Liquid Metal
Ang patuloy na pagtaas ng paggamit ng flexible na mga aparato ay nangangahulugang tataas din ang pangangailangan para sa deformable na katangian ng memorya, ayon kay Jing Liu, propesor sa Department of Biomedical Engineering sa Tsinghua University sa Beijing, sa isang panayam.
Ang flexible resistive RAM device ay tinawag na FlexRAM at binuo gamit ang isang di-pangkaraniwang lapit — likido. Ang liquid metal RAM na ito ay nag-iimbak ng impormasyon sa isang solusyon na kapaligiran, katulad ng kung paano ginagawa ng ating utak, na halos 70% ay tubig.
Sa pamamagitan ng pagkuha ng biomimetic na lapit na ito, ang FlexRAM ay naiiba sa kasalukuyang mga sistema ng memorya, na solid. Ayon kay Liu, ang biomimetic na lapit ay katulad ng “mga aqueous na kapaligiran na matatagpuan sa loob ng mga buhay na organismo.”
Sa ngayon, ang flexibility ng umiiral na mga memory device ay limitado dahil karaniwang nililikha ito sa pamamagitan ng paglalagay ng hindi nababaluktot na mga komponent ng memorya sa malambot na mga materyales. Ginagawa nitong bahagyang flexible lamang ang mga aparato at nagdudulot ng pagbalat at pag-crack kapag nabaluktot ang aparato.
Layunin ng FlexRAM na baguhin ito sa pamamagitan ng paggamit ng isang alloy na binubuo ng gallium at indium bilang komponent ng memorya upang gawin ang kanilang storage device. Ang mga gallium-based na liquid metal ay kaakit-akit na materyal dahil sa kanilang mahusay na katangian, tulad ng mataas na electrical at thermal conductivity, mababang toxicity, at mababang viscosity na may fluidic na katangian sa room temperature.
Inspirado ng utak, ang materyal ay dumadaan sa oksidasyon at reduksyon sa isang solusyon na kapaligiran, katulad ng mga neuron ng ating utak. Ang neuron ay polarized kapag ang plasma membrane sa loob ay may negatibong karga kumpara sa labas, at kapag may pagbabago na nagiging mas kaunti ang negatibo, iyon ay depolarization.
Dagdag pa rito, ang materyal ay nananatiling likido sa room temperature. Pinapadali nito ang kanilang oksidasyon upang bumuo ng isang dense na layer ng gallium oxide sa ibabaw ng likido. Ang layer ng gallium oxide na ito ay tumutugma sa isang mataas na electrical resistance state ng storage system at isang low-resistance state ng elemental gallium, ang reduced form ng likido.
Ang mataas na resistance ratio, ang pagkakaiba sa pagitan ng resistensya ng dalawang estado, ay mahalaga sa pagganap ng memory storage.
Pagkamit ng Mataas na Integrasyon at Skalabilidad
Pagdating sa pagganap, ang mga memory storage device ay kailangang magkaroon ng maraming katangian, kabilang ang energy efficiency, mabilis na bilis ng pagbasa at pagsulat, mataas na storage density, data retention, tibay, at pagiging maaasahan. Ang hamon ay ang pagbalanse ng mga aspetong ito habang pinapalaki ang flexibility ng aparato.
Kaya, upang makabuo ng aparato na kayang harapin ang mataas na antas ng deformation, gumamit ang koponan ng mga mananaliksik ng stretchable polymer na tinatawag na Ecoflex bilang materyal ng encapsulation nito.
Pagkatapos, ginamit ng koponan ang 3D printer upang i-print ang mga Ecoflex mold. Ang 3D printing o additive manufacturing ay nagbibigay-daan sa paggawa ng kumplikadong mga bagay. Pinapayagan nito ang paggawa ng mga item na hindi posible nang ekonomikong gawin gamit ang tradisyunal na pagmamanupaktura. Ang AM ay basically nangangahulugang paglikha ng tatlong-dimensional na mga bagay sa pamamagitan ng paglalagay ng mga layer ng materyal sa isang disenyo na ginawa sa computer.
Dahil sa pagiging cost-effective nito, ang 3D printing ay nagbigay-daan sa paggawa na maabot ng masa sa unang pagkakataon. Samantala, ang kakayahan nitong mag-alok ng disenyo flexibility at mabilis na prototyping ay ginagawa itong popular sa mga siyentipiko at mananaliksik.
Kaya, nang malikha na ang aparato, inilagay ang mga patak ng gallium-based liquid metal sa mga cavity ng molde. Upang maiwasan ang pagtagas ng solusyon, gumamit din ang mga mananaliksik ng mga patak ng polyvinyl acetate hydrogel solution, na in-inject nang hiwalay dahil sa kakayahan nitong dagdagan ang resistance ratio ng aparato at pagbutihin ang mga mekanikal na katangian nito.
Ang sukat ng patak ng liquid metal ay mahalaga dito dahil malaki ang epekto nito sa ratio ng high-resistance state/low-resistance state sa aparato. Ang mas maliit na sukat ng patak ay nagdudulot ng mas mataas na ratio dahil sa pinalakas na epekto ng surface oxide film. Kaya, mas maliit ang sukat ng patak, “mas sensitibo ang tugon ng memorya.”
Liu said:
“Ang pagpapaliit ng sukat ng patak ay nakakatulong sa integrasyon at skalabilidad ng FlexRAM, ginagawa ang ganap na flexible, high-density na memorya na isang pangakong opsyon para sa iba’t ibang pag-unlad ng engineering.”
Pagbabasa, Pagsusulat, at Pag-iimbak ng Data
Ngayon, pagdating sa pag-encode ng data, ginagawa ito ng FlexRAM sa pamamagitan ng mga proseso ng oksidasyon at reduksyon ng liquid metal.
Kaya, ang paraan ng pag-andar nito ay ang gallium-based liquid metal ay na-oxidize kapag nag-apply ng mababang boltahe. Ito ay nagbibigay ng high-resistance state na “1”. Sa pagbaliktad ng polarity ng boltahe, bumabalik ang liquid metal sa orihinal nitong low-resistance state na “0”. Ang reversible switching process na ito ay nagpapahintulot sa memorya na ma-imbak at ma-erase sa aparato.
Upang ipakita ang kakayahan ng FlexRAM sa pagbabasa at pagsusulat, isinama ng mga mananaliksik ang aparato sa isang software at hardware setup. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga utos ng computer, nagsulat ang koponan ng isang string ng mga numero at letra sa isang array ng walong FlexRAM storage unit.
Ang mga letrang at numerong ito ay na-encode sa anyo ng 0s at 1s at tumutugma sa 1 byte ng data impormasyon, na malayo sa consumer-grade na kapasidad ng memorya.
Sa susunod na hakbang, gumamit ang koponan ng teknik na tinatawag na pulse-width modulation, na nag-convert ng digital signal mula sa computer patungo sa analog. Ang teknik na ito ay nagbigay-daan sa kanila na maingat na kontrolin ang oksidasyon at reduksyon ng liquid metal.
Pagkatapos, nag-apply ang koponan ng maikling 1-volt test voltage habang binabasa ang impormasyon upang sukatin ang resistance state ng sistema nang hindi binabago ang redox state ng metal. Ang kasalukuyang signal ay ipinapadala sa computer, na nagko-convert ng signal sa 0 o 1 gamit ang isang algorithm. Sa huli, ang na-encode na mensahe ay ipinapakita sa isang LED screen.
Habang ang prototype ay isang volatile memory, ang prinsipyo ay nagpapahintulot sa pag-develop ng aparato sa iba’t ibang anyo ng memorya.
Makikita ito sa obserbasyon na ang data na naka-imbak sa aparato ay patuloy na nananatili kahit na patayin ang power. Maaaring ibig sabihin nito na may pangako ang aparato bilang isang anyo ng flexible storage at marahil lampas pa sa RAM. Binanggit ni Liu:
“Ang FlexRAM ay maaaring isama sa buong liquid-based computing systems, na gumaganap bilang isang logic device.”
Ang FlexRAM ay maaaring magpanatili pa ng data nito hanggang 43,200 segundo o 12 oras sa mababa o walang oxygen na kapaligiran. Gayundin, maaaring gamitin muli ang aparato nang paulit-ulit habang pinapanatili ang matatag na pagganap para sa higit sa 3500 na cycle. Bagaman ito ay isang magandang simula, hindi pa ito kahalintulad ng tradisyonal ngunit hindi-flexible na memorya, na umaabot sa milyun-milyon.
Malawak na Potensyal ng Aplikasyon
Bagaman ang aparato ay nagpakita ng magagarang pagganap, ang oras ng tugon at antas ng integrasyon ay hindi pa naaabot ang pamantayan ng komersyo. Ibig sabihin, kailangan pa ng mga pagpapabuti sa ilang aspeto, kabilang ang proseso ng pagmamanupaktura, na sa kasalukuyan ay kinabibilangan ng sunud-sunod na pag-fill ng mga materyales.
Layunin ng koponan na gumamit ng matalino at awtomatikong mga proseso ng pagmamanupaktura kasama ang 3D airborne printing at teknolohiya ng packaging.
Gayunpaman, ang teknolohiya ay napakabata pa at aabutin ng mga taon bago ito ganap na maisakatuparan. Sa kabila nito, ang proof-of-concept ay nakakaengganyo, at ang bagong lapit na ito ay nakakuha ng interes mula sa industriya na may ilang liquid-based na konsepto na sinusuri.
Isang ganitong pananaliksik ay naipakita ilang taon na ang nakalipas nang dalawang bagong liquid-based storage concepts ang iminungkahi — colloidal at electrolithic memory, na may potensyal para sa napakataas na density nearline storage applications.
Muli, sa pagkuha ng inspirasyon mula sa mga pag-unlad sa life sciences, iminungkahi na ang storage medium para sa paggawa ng dense array ng access devices ay isang likido na naglalaman ng mga ion, molekula, o (nano-)particles, na maaaring manipulahin sa mas malalaking volume upang maging bahagi ng isang access device na bahagi ng dense array.
Ang IMEC, isang R&D at innovation hub sa nanoelectronics at digital technologies, ay nakikita ang pagpapakilala ng liquid memory mula 2030 pataas. Inaasahan nila na sa mga lapit na ito, ang bit storage density ay maaaring itulak patungo sa saklaw na 1Tbit/mm2 sa mas mababang gastos sa proseso kada mm2. Binanggit din nila na para maging viable ang mga storage solution na ito para sa nearline applications, ang teknolohiya ay dapat may sapat na response time, energy consumption, bandwidth (hal., 20Gb/s), cycling endurance (103 read/write cycles), at kakayahang panatilihin ang data sa loob ng isang dekada.
Sa isa pang halimbawa, noong 2020, nakakuha ng karga ang mga mananaliksik mula sa liquid metal batteries. Dito, ang salt electrolyte, metal anode, at cathode ay lahat nasa likidong anyo. Kumpara sa solid-state batteries, ang liquid metal batteries ay nakikinabang sa mabilis na diffusion ng mga ion sa pagitan ng mga electrode, na nangangahulugang mabilis na charge-discharge cycles.
Bukod dito, ang mekanikal na stress ay mas kaunti, at inaalis nito ang pangangailangan para sa mga membrane at separator habang pinapabuti ang pangmatagalang katatagan at gamit. Ayon sa pananaliksik, ang liquid metal batteries, bagaman mabigat, ay hindi nasusunog at maaaring mas angkop para sa malakihang pag-iimbak ng kuryente.
Kamakailan, natuklasan ng mga siyentipiko ang isang liquid metal-based composite na nagbibigay-daan sa matibay na electrical at mechanical connections sa pagitan ng soft circuitry at rigid electrical components. Umaasa ang mga mananaliksik na magamit ang materyal na tinatawag na E-CASE, isang electrically conductive adhesive na may silver at eutectic gallium-indium (EGaIn), sa larangan ng electronics, robotics, at sensors.
Kaya, habang tinutugunan ng mga mananaliksik ang mga hamon at pinapino ang teknolohiya, maaaring magamit ang FlexRAM sa implantable electronics, soft robotics, at brain-machine interface systems sa hinaharap.
Mga Kumpanya sa Additive Manufacturing
#1. Materialise
Ang Belgium-based na provider ng 3D printing services ay nagsisilbi sa iba’t ibang industriya, kabilang ang automotive, aerospace, at health care. Sa nakaraang ilang buwan, pumasok ang Materialise sa ilang partnership, kabilang ang sa Ricoh USA upang itaguyod ang paggamit ng 3D-printed anatomic models, sa Proponent upang i-3D print ang cabin solutions para sa aircraft, sa Nikon SLM Solutions upang bumuo ng advanced Build Processors, at sa Ansys upang pasimplehin ang simulation para sa 3D printing.
(MTLS )
Sa market cap na $329 milyon, ang share ng Materialise (MTLS:NASDAQ) ay nagte-trade sa $5.57, pababa ng 15.16% YTD. Ang kumpanya ay nag-post ng revenue (TTM) na $272 mln at may EPS (TTM) na 0.05 at P/E (TTM) na 116.53. Iniulat ng kumpanya ang 3.2% pagtaas sa kabuuang revenue nito sa $63.6 mln mula sa nakaraang taon sa kanilang 3Q23 earnings report habang ang EBITDA ay tumaas ng 55% at ang net profit ay tumaas ng 184% sa $4.2 milyon.
#2. EOS GmbH
Ang Germany-based na EOS GmbH ay isang nangungunang industrial 3D printing manufacturer na naglunsad ng FDR technology na nagbibigay-daan sa paggawa ng mga detalyeng pino nang hindi isinasakripisyo ang kalidad. Samantala, ang Smart Fusion ng kumpanya ay nag-aalis ng support structures, nagpapababa ng gastos, nagmi-minimize ng paggamit ng materyal, at nagbabawas ng pangangailangan sa post-processing. Ang mga bagong sistema nito ay higit pang nagbibigay-daan sa isang ganap na automated na solusyon na sumusukat sa linya ng pangangailangan sa produksyon.
Bukod sa EOS GmbH at Materialise, ang mga kumpanya ng 3D printing tulad ng Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs, at Renishaw ay maaaring makatulong sa komersyalisasyon ng Liquid Metal Ram. Samantala, ang mga tulad ng Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple, at Samsung ay maaaring makinabang mula sa bagong lapit na ito sa mga sistema ng imbakan.
Huling Salita
Ang kakayahan ng Liquid Metal Ram na tiisin halos anumang deformation ay nangangako ng magandang kinabukasan para sa mga elektronikong aparato, na higit pang nagpapayaman sa ating buhay. Gayunpaman, nasa maagang yugto pa ito, na nangangailangan ng karagdagang pananaliksik at trabaho bago ito maisapubliko.
Dito, maaaring gumanap ng mahalagang papel ang additive manufacturing sa pamamagitan ng pagpapahintulot ng customized na disenyo at mas mahusay na integrasyon ng iba’t ibang komponent para sa pinahusay na pagganap at pagiging maaasahan. Bukod pa rito, nagbibigay ito ng mabilis na prototyping, na nagpapahintulot sa mga mananaliksik at kumpanya na gumawa ng mabilis na pag-improve habang binabawasan ang basura, nag-aalok ng scalability at on-demand production.
