Liquid RAM Flexes für Wearables, Roboter und Implantate

Während es auf flexiblem Kunststoff basierende organische Dünnschichttransistoren schon so lange gibt, dass man mit der Diskussion über ein Mooresches Gesetz für biegsame integrierte Schaltkreise beginnen kann, sind Speicherbausteine ​​für diese flexible Elektronik schon etwas schwerer zu fassen. Jetzt haben Forscher der Tsinghua-Universität in Peking ein vollständig flexibles Widerstands-RAM-Gerät namens FlexRAM entwickelt, das einen anderen Ansatz bietet: einen flüssigen Ansatz.

In der in der Zeitschrift beschriebenen Forschung Fortgeschrittene Werkstoffeverwendeten die Forscher ein flüssiges Metall auf Galliumbasis, um den Datenschreib- und Leseprozess von FlexRAM durchzuführen. In einem Beispiel der Biomimikry durchlaufen Tröpfchen aus Gallium-basiertem Flüssigmetall (GLM) Oxidations- und Reduktionsmechanismen in einer Lösungsumgebung, die die Hyperpolarisation und Depolarisation von Neuronen nachahmt.

„Dieser Fortschritt verändert die traditionellen Vorstellungen vom flexiblen Gedächtnis grundlegend und bietet eine theoretische Grundlage und einen technischen Weg für zukünftige intelligente Roboter, Gehirn-Maschine-Schnittstellensysteme und tragbare/implantierbare elektronische Geräte.“ »
–Jing Liu, Tsinghua-Universität

Diese positiven und negativen Vorspannungen definieren jeweils das Schreiben der „1“- und „0“-Informationen. Beim Anlegen einer niedrigen Spannung wird das flüssige Metall oxidiert, entsprechend dem hochohmigen Zustand „1“. Durch Umkehren der Polarität der Spannung wird das Metall wieder in seinen anfänglichen niedrigen Widerstandszustand „0“ zurückversetzt. Dieser reversible Umschaltvorgang ermöglicht das Speichern und Löschen von Daten.

Um die Lese- und Schreibfähigkeiten von FlexRAM zu demonstrieren, integrierten die Forscher es in ein Software- und Hardware-Setup. Mithilfe von Computerbefehlen kodierten sie eine Folge von Buchstaben und Zahlen, dargestellt als Nullen und Einsen, auf einem Array aus acht FlexRAM-Speichereinheiten, was einem Byte an Dateninformationen entspricht. Das digitale Signal vom Computer wurde mittels Pulsweitenmodulation in ein analoges Signal umgewandelt, um die Oxidation und Reduktion des flüssigen Metalls präzise zu steuern.

Diese Fotos zeigen den Oxidations- und Reduktionszustand des flüssigen Metalls auf Galliumbasis im Herzen von FlexRAM.Jing Liu/Tsinghua-Universität

Laut Jing Liu, Professor an der Abteilung für Biomedizintechnik der Tsinghua-Universität, handelt es sich beim aktuellen Prototyp um einen flüchtigen Speicher. Liu argumentiert jedoch, dass das Speicherprinzip es ermöglicht, das Gerät in verschiedene Speicherformen zu entwickeln.

Diese Behauptung wird durch das ungewöhnliche Phänomen gestützt, dass im FlexRAM gespeicherte Daten auch dann bestehen bleiben, wenn die Stromversorgung unterbrochen wird. In einer schlechten oder sauerstofffreien Umgebung kann FlexRAM Daten bis zu 43.200 Sekunden (12 Stunden) speichern. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine wiederholbare Verwendung aus und sorgt so für eine stabile Leistung über mehr als 3.500 Betriebszyklen.

„Dieser Durchbruch verändert die traditionellen Vorstellungen vom flexiblen Gedächtnis grundlegend und bietet eine theoretische Grundlage und einen technischen Weg für zukünftige intelligente Roboter, Gehirn-Maschine-Schnittstellensysteme und tragbare/implantierbare elektronische Geräte“, sagte Liu.

GLM-Tröpfchen sind in Ecoflex, einem dehnbaren Biopolymer, eingekapselt. Mit einem 3D-Drucker druckten die Forscher Ecoflex-Formen und injizierten separat Tröpfchen aus flüssigem Metall auf Galliumbasis und einer Polyvinylacetat-Hydrogellösung in die Formhohlräume. Das Hydrogel verhindert nicht nur das Austreten von Lösung, sondern verbessert auch die mechanischen Eigenschaften des Geräts und erhöht dadurch dessen Festigkeitsverhältnis.

„FlexRAM könnte in komplette flüssigkeitsbasierte Computersysteme integriert werden und als Logikgerät fungieren.“
–Jing Liu, Tsinghua-Universität

Im aktuellen Prototyp kann ein Array aus acht FlexRAM-Einheiten 1 Byte an Informationen speichern.

In dieser Phase der konzeptionellen Demonstration reicht das Gießen mit Millimeterauflösung aus, um das Funktionsprinzip zu demonstrieren, bemerkt Liu.

„Die vorstellbare Größenskala für diese FlexRAM-Geräte kann stark variieren“, sagte Liu. „Zum Beispiel kann die Größe jedes einzelnen Tröpfchenspeicherelements von Millimeter- bis Nanometer-Tröpfchen reichen. Interessanterweise zeigte die vorliegende Studie, dass die Gedächtnisreaktion umso empfindlicher ist, je kleiner die Tröpfchengröße ist.

Diese bahnbrechende Arbeit ebnet den Weg für die Realisierung von Schaltkreisen im Gehirn und steht im Einklang mit Konzepten, die Forscher wie Stuart Parkin von IBM vor mehr als einem Jahrzehnt vorgeschlagen haben. „FlexRAM könnte in komplette flüssigkeitsbasierte Computersysteme integriert werden und als Logikgerät fungieren“, stellt sich Liu vor.

Da sich Forscher und Ingenieure weiterhin Herausforderungen stellen und die Technologie verfeinern, könnten potenzielle Anwendungen von FlexRAM in der Softwarerobotik, Gehirn-Maschine-Schnittstellensystemen und tragbarer/implantierbarer Elektronik von Bedeutung sein.