液体RAM在可穿戴设备、机器人和植入物领域展现出其强大的性能

发布日期:2024-01-23     286 次

液体RAM在可穿戴设备、机器人和植入物领域展现出其强大的性能,可能还会推出非挥发性版本。

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来自中国清华大学的研究人员从生物模仿的长期传统中汲取灵感,开发出了一种可以经受几乎任何变形的终极柔性存储器。这种存储器被称为FlexRAM,是一种全柔性的阻性随机访问存储器设备,采用了液体金属的方法。

在《先进材料》杂志上描述的研究中,研究人员使用基于镓的液体金属实现了FlexRAM的数据写入和读取过程。这种基于镓的液体金属(GLM)滴在溶液环境中经历氧化和还原机制,模拟神经元的超极化和去极化,体现了生物模仿的例子。

“这一突破从根本上改变了对柔性存储器的传统认识,为未来软智能机器人、脑机接口系统以及可穿戴/植入式电子设备提供了理论基础和技术路径。” —清华大学的刘静

这些正负偏压电压定义了信息的写入,“1”和“0”分别对应。当施加低电压时,液体金属被氧化,对应于“1”的高电阻状态。通过反转电压极性,将金属恢复到初始的低电阻状态,“0”。这种可逆的切换过程允许数据的存储和擦除。

为展示FlexRAM的读写能力,研究人员将其整合到软件和硬件设置中。通过计算机命令,他们将一串字母和数字编码成0和1的形式,并存储在八个FlexRAM存储单元的数组中,相当于一字节的数据信息。计算机产生的数字信号经过脉冲宽度调制转换为模拟信号,以精确控制液体金属的氧化和还原。

FlexRAM的读写能力的照片,揭示了其心脏部分的基于镓的液体金属的氧化和还原状态。清华大学刘静/图片来源

根据清华大学生物医学工程系的教授刘静的说法,目前的原型是一种挥发性存储器。但刘静认为,该存储器原理允许将设备发展成不同形式的存储器。

这种观点得到了支持,因为即使在关机时,FlexRAM中存储的数据仍然保持。在低氧或无氧环境中,FlexRAM可以保持数据长达43,200秒(12小时)。它还表现出可重复使用的特点,在操作的3,500个周期中保持稳定性能。

“这一突破从根本上改变了对柔性存储器的传统认识,为未来软智能机器人、脑机接口系统以及可穿戴/植入式电子设备提供了理论基础和技术路径。”刘静说。

GLM滴在Ecoflex中封装,这是一种可伸缩的生物聚合物。研究人员使用3D打印机打印了Ecoflex模具,并将基于镓的液体金属滴和聚乙烯醇醋酸酯水凝胶的溶液分别注入模具的腔体中。水凝胶不仅可以防止溶液泄漏,还可以增强器件的机械性能,提高其电阻比。

在目前的原型中,8个FlexRAM单元的阵列可以存储一字节的信息。

在这个概念演示阶段,毫米级分辨率的成型足以演示其工作原理,刘静指出。

“这些FlexRAM设备的可想象的尺寸范围可以很广泛,”刘静说。“例如,每个液滴存储元件的尺寸可以从毫米到纳米尺度的液滴。有趣的是,正如本研究所揭示的,液滴尺寸越小,存储器响应就越灵敏。”

这项开创性的工作为实现类似大脑电路的设备铺平了道路,与十多年前IBM的Stuart Parkin等研究人员提出的概念相一致。“FlexRAM可以被整合到整个基于液体的计算系统中,充当逻辑设备,”刘静设想。

随着研究人员和工程师继续解决挑战并改进技术,FlexRAM在软体机器人、脑机接口系统以及可穿戴/植入式电子领域的潜在应用可能是巨大的。


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