Katmanlı Üretim, ‘Sıvı Metal Ram’ Ticarileştirilmesinde Anahtar Olabilir

Çin’deki Tsinghua Üniversitesi araştırmacıları tarafından gerçekleştirilen yeni bir depolama sistemi yaklaşımı, elektronik cihazların performansını etkilemeden esnek bellek sağlamaktadır. Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı ve Shuimu Tsinghua Burs Programı tarafından finanse edilen bu araştırma, “Advanced Materials” dergisinde yakın zamanda yayımlanan “Liquid Metal Memory” (Sıvı Metal Bellek) tanıtıyor.

Depolama sistemleri, elektronik cihazların hayati bileşenleri olduğundan, dünyada daha gelişmiş giyilebilir elektronikler, biyomedikal cihazlar ve yumuşak robotik sistemler ortaya çıktıkça çok daha esnek olmaları gerekir. Bu veri depolama sistemleri, ortaya çıkan cihazların performansını etkilemeden aşırı gerilme, bükülme ve bükülme gibi durumlara dayanabilmelidir.

Esnek bellek elde etmek, geleneksel depolama yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle zor olmuştur. En yeni çalışma, insan beyninin kutuplaşma ve kutuplaşma çözülmesi mekanizmalarından ilham alan yeni bir depolama prensibi sınıfı önermektedir.

Sıvı metallerin oksidasyon ve deoksidasyon davranışlarını tanıtarak, ekip tamamen esnek bellek elde etti. Araştırmacılar, hedef sıvı metallerin genel iletkenliğini modüle etmek için geri dönüşümlü elektrokimyasal oksidasyonu kullandı ve ikili veri depolama için 11 mertebe direnç farkı yarattı.

En iyi depolama performansını elde etmek için, birden fazla parametrenin sistematik optimizasyonları yapıldı. Kavramsal deneyler, 360° bükülme, 180° bükülme ve %100 uzatma gibi aşırı deformasyon senaryolarında bellek kararlılığını gösterdi. Daha küçük birim boyutlarıyla daha iyi performans elde edildiği de testlerle gösterildi.

Ekip, depolama sistemlerinin 33 Hz’den fazla hızlı bir depolama hızı ve 43200 saniyeden fazla uzun veri tutma kapasitesi sağladığını, ayrıca 3500 döngüye kadar stabil ve tekrarlanabilir çalıştığını belirtti. Bu çarpıcı performans ölçütleri, “çığır açan yöntem”in mevcut elektronik depolama birimlerinin doğuştan gelen katılık sınırlamalarını aşabileceğini ve yenilikçi nöromorfik cihazların yolunu açabileceğini gösteriyor.

Dolayısıyla, sıvı metal bellek, geleneksel esnek bellek kavramlarını kökten değiştirerek, biyomimetik yapay zeka sistemleri, yumuşak robotik ve giyilebilir elektronik gibi gelecekteki uygulamalar için pratik yollar sunmaktadır.

Alışılmadık Bir Yaklaşım: Sıvı Metal Kullanımı

Esnek cihazların artan kullanımı, belleğin deformasyon özelliklerine olan talebin de artacağı anlamına geliyor, dedi Beijing’deki Tsinghua Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü profesörü Jing Liu bir röportajda.

Esnek dirençli RAM cihazına FlexRAM adı verildi ve alışılmadık bir yaklaşımla — sıvı — geliştirildi. Bu sıvı metal RAM, bilgiyi bir çözelti ortamında depoluyor, tıpkı beynimizin %70 su içeren ortamı gibi.

Bu biyomimetik yaklaşımı benimseyerek, FlexRAM mevcut katı bellek sistemlerinden farklılaşıyor. Liu’ya göre biyomimetik yaklaşım, “canlı organizmalar içinde bulunan su bazlı çalışma ortamlarına” benzer.

Şu ana kadar mevcut bellek cihazlarının esnekliği, genellikle katı olmayan bellek bileşenlerini yumuşak malzemelere yerleştirerek sınırlı kalmıştır. Bu, cihazların sadece kısmen esnek olmasına ve deformasyon sırasında soyulma ve çatlamaya yol açar.

FlexRAM, hafıza bileşeni olarak gallium ve indiumdan oluşan bir alaşım kullanarak bu sorunu çözmeyi hedefliyor. Gallium bazlı sıvı metaller, yüksek elektrik ve termal iletkenlik, düşük toksisite ve oda sıcaklığında akışkan bir yapıya sahip düşük viskozite gibi mükemmel özellikleri nedeniyle çekici bir malzemedir.

Beyinden ilham alarak, malzeme bir çözelti ortamında oksidasyon ve indirgeme süreçlerinden geçer, tıpkı beyin nöronlarımız gibi. Plazma membranı iç kısmı dışına göre negatif bir yük taşıdığında nöron kutuplaşır ve herhangi bir değişiklikle bu negatiflik azalırsa, bu kutuplaşmanın çözülmesidir.

Ayrıca, malzeme oda sıcaklığında sıvı halini korur. Bu, sıvının yüzeyinde yoğun bir gallium oksit tabakası oluşturmak için oksidasyonunu kolaylaştırır. Bu gallium oksit tabakası, depolama sisteminin yüksek dirençli durumunu ve elemental galliumun düşük dirençli durumunu (sıvının indirgenmiş hali) temsil eder.

Yüksek bir direnç oranı, bu iki durum arasındaki direnç farkı, bellek depolama performansı için esastır.

Yüksek Entegrasyon ve Ölçeklenebilirliğin Sağlanması

Performans söz konusu olduğunda, bellek depolama cihazlarının enerji verimliliği, hızlı okuma ve yazma hızları, yüksek depolama yoğunluğu, veri tutma, dayanıklılık ve güvenilirlik gibi birçok özelliğe sahip olması gerekir. Sorun, bu özellikler arasında denge kurarken cihazın esnekliğini maksimize etmektir.

Bu nedenle, yüksek deformasyon seviyelerine dayanabilecek bir cihaz geliştirmek için araştırmacılar, kapsülleme malzemesi olarak Ecoflex adlı esnek bir polimer kullandı.

Ardından ekip, Ecoflex kalıplarını basmak için bir 3D yazıcı kullandı. 3D baskı veya katmanlı imalat karmaşık nesnelerin üretimini mümkün kılar. Geleneksel üretimle ekonomik olarak mümkün olmayan ürünlerin üretilmesini sağlar. AM temel olarak, bilgisayar tasarımıyla katman katman malzeme ekleyerek üç boyutlu nesneler oluşturmak demektir.

Maliyet etkinliği sayesinde, 3D baskı üretimi ilk kez geniş kitlelere erişilebilir kıldı. Aynı zamanda tasarım esnekliği ve hızlı prototipleme sunması, bu tekniği bilim insanları ve araştırmacılar arasında popüler hâle getirdi.

Cihaz oluşturulduktan sonra, gallium bazlı sıvı metal damlacıkları kalıp boşluklarına yerleştirildi. Çözeltinin sızmasını önlemek için, araştırmacılar ayrıca polivinil asetat hidrojel çözeltisi damlacıkları kullandı; bu damlacıklar ayrı olarak enjekte edildi çünkü cihazın direnç oranını artırma ve mekanik özelliklerini iyileştirme yeteneğine sahiptir.

Sıvı metal damlacığının boyutu burada önemlidir çünkü cihazdaki yüksek dirençli durum/düşük dirençli durum oranını önemli ölçüde etkiler. Daha küçük bir damlacık boyutu, yüzey oksit filminin etkisinin artması nedeniyle oranı yükseltir. Dolayısıyla, damlacık ne kadar küçükse, “bellek yanıtı o kadar hassas” olur.

Liu şöyle dedi:

“Damlacık boyutunun küçültülmesi, FlexRAM’in entegrasyonunu ve ölçeklenebilirliğini artırır, tamamen esnek, yüksek yoğunluklu belleği çeşitli mühendislik gelişmeleri için umut verici bir seçenek hâline getirir.”

Veri Okuma, Yazma ve Depolama

Şimdi, veri kodlaması söz konusu olduğunda, FlexRAM bunu sıvı metalin oksidasyon ve indirgeme süreçleriyle gerçekleştiriyor.

Yöntem şu şekildedir: düşük voltaj uygulandığında gallium bazlı sıvı metal oksitlenir ve bu, “1” yüksek dirençli durumunu verir. Voltaj polaritesi tersine çevrildiğinde, sıvı metal tekrar başlangıçtaki “0” düşük dirençli durumuna döner. Bu geri dönüşümlü geçiş süreci, belleğin cihazda depolanıp silinmesini sağlar.

FlexRAM’in okuma ve yazma yeteneğini göstermek için araştırmacılar cihazı bir yazılım ve donanım kurulumuna entegre etti. Bilgisayar komutlarıyla ekip, sekiz FlexRAM depolama biriminden oluşan bir diziye sayı ve harf dizisi yazdı.

Bu harf ve sayılar, 0 ve 1 biçiminde kodlanmış olup, 1 bayt veri bilgisine karşılık gelmektedir; bu, tüketici sınıfı bellek kapasitesinden çok uzaktır.

Sonraki adımda ekip, dijital sinyali analoga dönüştüren darbe genişliği modülasyonu (pulse-width modulation) adlı bir teknik kullandı. Bu teknik, sıvı metalin oksidasyon ve indirgeme süreçlerini dikkatli bir şekilde kontrol etmelerini sağladı.

Ardından ekip, bilgi okuma sırasında sistemin direnç durumunu değiştirmeden ölçmek için kısa bir 1 voltluk test voltajı uyguladı. Akım daha sonra bilgisayara iletilir ve bir algoritma aracılığıyla sinyal 0 ya da 1 olarak dönüştürülür. Son olarak kodlanmış mesaj bir LED ekranında gösterilir.

Prototip volatil bir bellek olsa da, prensip cihazın farklı bellek formlarına geliştirilmesine olanak tanır.

Bu, cihazda depolanan verinin güç kapatıldığında bile kalıcı olduğu gözlemiyle görülebilir. Bu, cihazın esnek bir depolama biçimi ve belki de RAM’in ötesinde bir potansiyele sahip olabileceği anlamına gelebilir. Liu şöyle belirtti:

“FlexRAM, tamamen sıvı temelli bilgisayar sistemlerine entegre edilebilir ve bir mantık cihazı olarak işlev görebilir.”

FlexRAM, düşük veya oksijensiz bir ortamda 43.200 saniye ya da 12 saat boyunca verisini koruyabilir. Ayrıca cihaz, 3500 döngünün üzerinde stabil performans göstererek tekrar tekrar kullanılabilir. Bu iyi bir başlangıç olsa da, geleneksel ancak esnek olmayan belleklerin milyonlarca döngüye ulaşabildiği seviyeye henüz ulaşmamıştır.

Geniş Uygulama Potansiyeli

Cihaz umut verici bir performans sergilemiş olsa da, yanıt süresi ve entegrasyon seviyesi ticari standartlara henüz ulaşmamaktadır. Bu, şu anda malzemelerin sıralı doldurulması gibi üretim prosedürlerinde iyileştirmeler gerektiği anlamına geliyor.

Ekip, akıllı ve otomatik üretim süreçlerini 3D hava baskısı ve paketleme teknolojisiyle birleştirmeyi hedefliyor.

Yine de teknoloji çok yeni ve tam olarak gerçekleşmesi yıllar alacak. Bununla birlikte, kavram kanıtı cesaret verici ve bu yeni yaklaşım, sektörden ilgi gördü; çeşitli sıvı temelli konseptler araştırılıyor.

Böyle bir araştırma gösterdi, iki yıl önce iki yeni sıvı temelli depolama konsepti önerildi — kolloidal ve elektrolitik bellek, ki bunlar son derece yüksek yoğunluklu yakın hat depolama uygulamaları için potansiyel taşıyor.

Yine, yaşam bilimlerindeki ilerlemelerden ilham alarak, yoğun bir erişim cihazı dizisi oluşturmak için iyon, molekül veya (nano-)parçacık içeren bir sıvı önerildi; bu sıvı daha büyük hacimlerde manipüle edilerek yoğun bir diziye ait bir erişim cihazına dönüştürülebilir.

Nanoelektronik ve dijital teknolojilerde bir AR-GE ve yenilik merkezi olan IMEC, 2030’dan itibaren sıvı bellek tanıtımını öngörüyor. Bu yaklaşımlarla bit depolama yoğunluğunun mm2 başına 1Tbit aralığına düşük süreç maliyetiyle itilebileceğini tahmin ediyor. Ayrıca, bu depolama çözümlerinin yakın hat uygulamaları için geçerli olabilmesi için teknolojinin yeterli yanıt süresi, enerji tüketimi, bant genişliği (ör. 20Gb/s), döngü dayanıklılığı (10³ okuma/yazma döngüsü) ve on yıl boyunca veri tutma yeteneğine sahip olması gerektiğini belirtti.

Başka bir örnekte, 2020’de araştırmacılar sıvı metal bataryalardan şarj elde etti. Burada tuz elektroliti, metal anot ve katot hepsi sıvı formdaydı. Katı hal bataryalarına kıyasla, sıvı metal bataryalar elektrotlar arasındaki iyonların hızlı difüzyonu sayesinde hızlı şarj-deşarj döngülerine sahiptir.

Ayrıca, mekanik gerilmeler çok daha azdır ve membran ve ayırıcı ihtiyacını ortadan kaldırırken uzun vadeli stabilite ve kullanılabilirliği artırır. Araştırma, sıvı metal bataryaların ağır olmasına rağmen yanmaz olduğunu ve büyük ölçekli elektrik depolama için daha uygun olabileceğini belirtti.

En son olarak bilim insanları keşfetti bir sıvı metal bazlı kompozit, yumuşak devre elemanları ile katı elektrik bileşenleri arasında sağlam elektrik ve mekanik bağlantılar sağlar. Araştırmacılar, gümüş ve eutektik gallium-indium (EGaIn) içeren, elektriksel iletken bir yapıştırıcı olan E-CASE’in elektronik, robotik ve sensörlerde rol oynamasını umuyor.

Bu nedenle, araştırmacılar zorlukları ele alıp teknolojiyi iyileştirdikçe, FlexRAM gelecekte implant edilebilir elektronik, yumuşak robotik ve beyin-makine arayüz sistemlerinde de kullanılabilir.

Katmanlı Üretim Şirketleri 

#1. Materialise

Belçika merkezli 3D baskı hizmet sağlayıcısı, otomotiv, havacılık ve sağlık gibi çeşitli sektörlere hizmet vermektedir. Son birkaç ay içinde Materialise, Ricoh USA ile 3D baskılı anatomik modellerin kullanımını teşvik etmek, Proponent ile uçak kabin çözümlerini 3D baskılamak, Nikon SLM Solutions ile gelişmiş Üretim İşlemcileri geliştirmek ve Ansys ile 3D baskı simülasyonunu basitleştirmek gibi birçok ortaklık kurdu.

329 milyon dolar piyasa değerine sahip Materialise (MTLS:NASDAQ) hisseleri, YTD %15.16 düşüşle 5,57 dolar seviyesinde işlem görüyor. Şirket, 272 milyon dolar (TTM) gelir elde etti ve EPS (TTM) 0,05, P/E (TTM) 116,53. Şirket, 3Q23 kazanç raporunda toplam gelirini %3,2 artırarak 63,6 milyon dolara yükseltti; EBITDA %55 artış gösterdi ve net kar %184 artarak 4,2 milyon dolar oldu.

#2. EOS GmbH

Almanya merkezli EOS GmbH, ince detayları kaliteyi kaybetmeden üretmeyi sağlayan bir FDR teknolojisi sunan önde gelen bir endüstriyel 3D baskı üreticisidir. Şirketin Smart Fusion teknolojisi ise destek yapılarını ortadan kaldırır, maliyeti düşürür, malzeme kullanımını en aza indirir ve son işlem gereksinimlerini azaltır. Yeni sistemleri, üretim ihtiyaçlarıyla paralel olarak ölçeklenebilen tam otomatik bir çözüm sunar.

EOS GmbH ve Materialise’in yanı sıra, Stratasys, GE Additive, Desktop Metal , Formlabs ve Renishaw gibi 3D baskı şirketleri Liquid Metal Ram’in ticarileştirilmesine yardımcı olabilir. Ayrıca, Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple (AAPL ) ve Samsung gibi firmalar bu yeni depolama sistemi yaklaşımından faydalanabilir.

Son Söz

Liquid Metal Ram’in neredeyse her türlü deformasyona dayanabilme yeteneği, elektronik cihazlar için parlak bir gelecek vaat ediyor ve hayatımızı zenginleştiriyor. Ancak, hâlâ erken aşamalarda ve ticarileşmeden önce daha fazla araştırma ve çalışma gerektiriyor.

Burada, katmanlı üretim, özelleştirilmiş tasarımlar ve farklı bileşenlerin daha iyi entegrasyonu sayesinde performans ve güvenilirliği artırarak kilit bir rol oynayabilir. Ayrıca, hızlı prototipleme imkanı, araştırmacıların ve şirketlerin hızlı iyileştirmeler yapmasını sağlarken atığı azaltır, ölçeklenebilirlik ve talep üzerine üretim sunar.

Tüm 3D baskı hisseleri (katmanlı üretim) hakkında yatırım yapmayı öğrenmek için buraya tıklayın.