增材制造可能是“液态金属柱塞”商业化的关键

中国清华大学的研究人员实现了一种新的存储系统方法，可以在不影响电子设备性能的情况下实现灵活的内存。国家自然科学基金委、中国博士后科学基金委、水木清华奖学金项目资助， 本研究 在《先进材料》最近发表的一篇文章中介绍了“液态金属存储器”。

随着世界上出现更先进的可穿戴电子产品、生物医学设备和软机器人，存储系统作为电子设备的重要组成部分，必须变得更加灵活。这些数据存储系统必须在不影响新兴设备性能的情况下拉伸、弯曲和扭曲到极限。

由于传统存储方法的局限性，实现灵活的内存一直具有挑战性。最新研究提出了一类新颖的存储原理，其灵感来自于人脑的极化和去极化机制。

通过引入氧化和脱氧行为 液态金属，团队实现了完全灵活的记忆。研究人员利用可逆电化学氧化来调节目标液态金属的整体电导率，为二进制数据存储创造了显着的 11 阶电阻差异，如前所述。

为了获得最佳的存储性能，对多个参数进行了系统优化。概念实验显示了极端变形场景下的记忆稳定性，包括 360° 扭曲、180° 弯曲和 100% 拉伸。 进一步的测试表明，较小的内存单元具有更好的性能。

该团队得出的结论是，他们的存储系统实现了超过 33 Hz 的快速存储速度和超过 43200 秒的长数据保留能力，并且稳定、可重复运行高达 3500 个周期。这些卓越的性能指标表明，“突破性的方法”可以克服现有电子存储单元固有的刚性限制，同时为创新的神经形态设备铺平道路。

因此，液态金属存储器从根本上改变了柔性存储器的传统概念，为未来在仿生人工智能系统、软机器人和可穿戴电子产品中的应用提供了实用途径。

非常规方法：使用液态金属

北京清华大学生物医学工程系教授刘静在接受采访时表示，柔性设备的使用越来越多，意味着对存储器可变形特性的需求将会不断增长。

这种柔性电阻式 RAM 器件被称为 FlexRAM，采用非传统方法——液体——开发。这种液态金属 RAM 在溶液环境中存储信息，很像我们的大脑，其中大约 70% 是水。 

通过采用这种仿生方法，FlexRAM 将自己与当前坚固的存储系统区分开来。刘说，仿生方法类似于“生物体内发现的水性工作环境”。 

到目前为止，现有存储设备的灵活性受到限制，因为它们通常是通过将不灵活的存储组件放置在软材料上来创建的。这使得设备仅具有部分柔性，并在设备变形时导致剥离和破裂。 

FlexRAM 旨在通过使用由镓和铟组成的合金作为存储组件来制造存储设备来改变这一现状。镓基液态金属因其优异的特性而成为一种有吸引力的材料，例如高导电性和导热性、低毒性、低粘度以及室温下的流体性质。

受大脑的启发，该材料在溶液环境中经历氧化和还原，就像我们的大脑神经元一样。当神经元内部的质膜与外部相比具有负电荷时，神经元就会极化，而当任何变化使其负电荷减少时，这就是去极化。

此外，该材料在室温下保持液态。这有利于它们的氧化，在液体表面形成致密的氧化镓层。这层氧化镓对应于存储系统的高电阻状态和元素镓（液体的还原形式）的低电阻状态。 

高电阻比（这两种状态的电阻之间的差异）对于存储器存储性能至关重要。

实现高集成度和可扩展性

在性能方面，内存存储设备需要具备很多特性，包括能源效率、快速读写速度、高存储密度、数据保留、耐用性和可靠性。问题在于如何在这些方面之间取得平衡，同时最大限度地提高设备的灵活性。

因此，为了开发一种能够处理高水平变形的设备，研究人员团队使用了一种名为 Ecoflex 的可拉伸聚合物作为其封装材料。

然后，该团队利用 3D 打印机打印 Ecoflex 模具。 3D 打印或增材制造 能够生产复杂的物体。它可以生产传统制造在经济上无法实现的产品。增材制造基本上意味着通过在计算机创建的设计中放入材料层来创建三维物体。

由于其成本效益， 3D印刷 第一次让制造变得触手可及。同时，其提供设计灵活性和快速原型制作的能力使该技术受到科学家和研究人员的欢迎。

因此，一旦该设备被制造出来，镓基液态金属的液滴就会被放入模具腔中。为了防止溶液泄漏，研究人员还使用了聚醋酸乙烯酯水凝胶溶液的液滴，由于其能够增加器件的电阻比并增强其机械性能，因此单独注入该溶液。

液态金属滴的尺寸在这里很重要，因为它显着影响器件中的高电阻状态/低电阻状态比。由于表面氧化膜的影响放大，较小的液滴尺寸会导致比率增加。因此，液滴的尺寸越小，“记忆反应就越灵敏”。

刘说：

“减小液滴尺寸有利于 FlexRAM 的集成和可扩展性，使完全灵活的高密度存储器成为各种工程开发的有希望的选择。” 

读取、写入和存储数据

现在，在编码数据时，FlexRAM 通过液态金属的氧化和还原过程来实现。 

因此，它的工作原理是，当施加低电压时，镓基液态金属会被氧化。这使其处于高阻状态“1”。在反转电压极性时，液态金属回到其初始的低电阻状态“0”。这种可逆的切换过程允许在设备中存储和擦除存储器。

为了演示 FlexRAM 的读写能力，研究人员将该设备集成到软件和硬件设置中。通过使用计算机命令，该团队将一串数字和字母写入由八个 FlexRAM 存储单元组成的阵列中。

这些字母和数字以0和1的形式编码，对应1字节的数据信息，这与消费级的内存容量相差甚远。

下一步，该团队使用了一种称为脉冲宽度调制的技术，将计算机的数字信号转换为模拟信号。该技术使他们能够仔细控制液态金属的氧化和还原。

然后，该团队在信息读取过程中施加了短暂的 1 伏测试电压，以便在不改变金属氧化还原状态的情况下测量系统的电阻状态。然后电流被传输到计算机，计算机使用算法将信号转换为 0 或 1。最后，编码后的消息显示在 LED 屏幕上。

虽然原型是易失性存储器，但其原理允许将该设备开发成不同形式的存储器。

这可以从观察中看出，即使电源关闭，设备中存储的数据仍然存在。这可能意味着该设备有望成为一种灵活的存储形式，甚至可能超越 RAM。刘指出：

“FlexRAM 可以整合到整个基于液体的计算系统中，充当逻辑设备。” 

FlexRAM 在低氧或无氧环境中还可将数据保留长达 43,200 秒或 12 小时。此外，该器件可以反复使用，同时保持超过3500次循环的稳定性能。虽然是一个良好的开端，但它还远不及传统的非灵活内存的能力（数以百万计）。

巨大的应用潜力

虽然该设备表现出了良好的性能，但其响应时间和集成水平尚未达到商业标准。这意味着仍然需要在多个方面进行改进，包括制造程序，到目前为止，制造程序涉及按顺序填充材料。

该团队的目标是使用智能和自动化制造工艺以及 3D 机载打印和包装技术。 

尽管如此，这项技术还很年轻，需要数年时间才能完全实现。话虽如此，概念验证令人鼓舞，这种新方法引起了业界的兴趣，正在探索几种基于液体的概念。

其中一项研究是 证明 几年前，提出了两种新的基于液体的存储概念——胶体存储器和电石存储器，它们具有极高密度近线存储应用的潜力。

同样，通过从生命科学的进步中汲取灵感，用于制造密集访问设备阵列的存储介质被提议为包含离子、分子或（纳米）粒子的液体，这些液体可以以更大的体积进行操作以访问设备。属于密集阵列一部分的设备。

IMEC 是纳米电子和数字技术的研发和创新中心，预计从 2030 年起将引入液体存储器。预计通过这些方法，可以以更低的每平方毫米工艺成本将位存储密度推向 1Tbit/mm2 范围。它还指出，要使这些存储解决方案适用于近线应用，该技术必须具有足够的响应时间、能耗、带宽（例如 2Gb/s）、循环耐久性（20 个读/写周期）以及保留数据的能力。十多年来的数据。

在另一 例早在 2020 年，研究人员就用液态金属电池进行了充电。这里，盐电解质、金属阳极和阴极都是液体形式。与固态电池相比，液态金属电池受益于电极之间离子的快速扩散，这意味着快速的充放电循环。 

此外，机械应力要小得多，并且无需膜和分离器，同时增强了长期稳定性和实用性。研究表明，液态金属电池虽然重，但不易燃，更适合大规模电力存储。

最近，科学家 发现 一种液态金属复合材料，可在软电路和刚性电气元件之间实现牢固的电气和机械连接。研究人员希望这种名为 E-CASE 的材料在电子、机器人和传感器中发挥作用，它是一种含有银和共晶镓铟 (EGaIn) 的导电粘合剂。

因此，随着研究人员应对挑战并完善技术，FlexRAM 未来还可以在植入式电子产品、软机器人和脑机接口系统中找到用途。

增材制造公司 

＃1。 Materialise公司

这家总部位于比利时的 3D 打印服务提供商为汽车、航空航天和医疗保健等一系列行业提供服务。在过去的几个月里，Materialise 建立了多项合作伙伴关系，包括与 Ricoh USA 合作推广 3D 打印解剖模型的使用，与 Proponent 合作开发飞机 3D 打印机舱解决方案，与 Nikon SLM Solutions 合作开发先进的构建处理器，以及与 Ansys 合作简化 3D 打印的模拟。

Materialise (MTLS: NASDAQ) 的市值为 329 亿美元，股价目前交易价格为 5.57 美元，年初至今下跌 15.16%。该公司公布的收入 (TTM) 为 272 亿美元，每股收益 (TTM) 为 0.05，市盈率 (TTM) 为 116.53。该公司在 3.2 年第三季度收益报告中公布，其总收入较上年增长 63.6%，至 3 万美元，而 EBITDA 增长 23%，净利润增长 55% 至 184 万美元。

＃2。 EOS有限公司

总部位于德国的 EOS GmbH 是一家领先的工业 3D 打印制造商，该公司推出了 FDR 技术，可以在不牺牲质量的情况下生产精细细节。同时，该公司的 Smart Fusion 消除了支撑结构，降低了成本，最大限度地减少了材料使用，并减少了后处理要求。其新系统进一步支持根据生产需求进行扩展的全自动解决方案。 

除了 EOS GmbH 和 Materialise 之外，Stratasys、GE Additive、Desktop Metal、Formlabs 和 Renishaw 等 3D 打印公司也可以帮助 Liquid Metal Ram 商业化。与此同时，Soft Robotics、Shadow Robot Company、Neuralink、CTRL-labs、BrainGate、Apple 和 Samsung 等公司可以从这种新的存储系统方法中受益。

一锤定音

液态金属内存条能够承受几乎任何变形，这为电子设备带来了美好的未来，进一步丰富了我们的生活。然而，它们仍处于早期阶段，在商业化之前还需要更多的研究和工作。 

在这里，增材制造可以发挥关键作用，允许定制设计和更好地集成不同组件，以提高性能和可靠性。此外，它还允许快速原型设计，使研究人员和公司能够快速改进，同时减少浪费，提供可扩展性和按需生产。

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