Гибкие модули Liquid RAM для носимых устройств, роботов и имплантатов

В то время как органические тонкопленочные транзисторы, построенные на гибком пластике, существуют достаточно долго, чтобы люди начали обсуждать Закон Мура для гибких микросхемустройства памяти для этой гибкой электроники были немного более неуловимый. Теперь исследователи из Университет Цинхуа в Китае разработали полностью гибкое резистивное запоминающее устройство с произвольным доступом, получившее название FlexRAM, которое предлагает другой подход: жидкостный.

В исследованиях, описанных в журнале Передовые материалыИсследователи использовали жидкий металл на основе галлия для реализации процесса записи и чтения данных FlexRAM. В качестве примера биомимикрии капли жидкого металла на основе галлия (GLM) подвергаются механизмам окисления и восстановления, находясь в среде раствора, имитирующей гиперполяризация и деполяризация нейронов.

«Этот прорыв фундаментально меняет традиционные представления о гибкой памяти, предлагая теоретическую основу и технический путь для будущих мягких интеллектуальных роботов, систем интерфейса мозг-машина и носимых/имплантируемых электронных устройств».
—Цзин Лю, Университет Цинхуа

Эти положительные и отрицательные напряжения смещения определяют запись информации «1» и «0» соответственно. При подаче низкого напряжения жидкий металл окисляется, что соответствует высокоомному состоянию «1». Меняя полярность напряжения, он возвращает металл в исходное состояние низкого сопротивления «0». Этот обратимый процесс переключения позволяет сохранять и стирать данные.

Чтобы продемонстрировать возможности чтения и записи FlexRAM, исследователи интегрировали ее в программное и аппаратное обеспечение. С помощью компьютерных команд они закодировали строку букв и цифр, представленную в виде 0 и 1, в массив из восьми блоков хранения FlexRAM, что эквивалентно одному байту данных. Цифровой сигнал от компьютера преобразовывался в аналоговый сигнал с использованием широтно-импульсной модуляции для точного контроля окисления и восстановления жидкого металла.

Фотографии состояний окисления и восстановления жидкого металла на основе галлия, лежащего в основе FlexRAM.Цзин Лю/Университет Цинхуа

Согласно словам, настоящий прототип представляет собой энергозависимую память. Цзин Люпрофессор кафедры Биомедицинский Инженерное дело в Университете Цинхуа. Но Лю утверждает, что принцип памяти позволяет развивать устройство в различных формах памяти.

Это утверждение подтверждается необычным явлением: данные, хранящиеся во FlexRAM, сохраняются даже при отключении питания. В среде с низким содержанием кислорода или без него FlexRAM может сохранять данные до 43 200 секунд (12 часов). Он также демонстрирует повторяемость использования, сохраняя стабильную производительность на протяжении более 3500 циклов работы.

«Этот прорыв фундаментально меняет традиционные представления о гибкой памяти, предлагая теоретическую основу и технический путь для будущих мягких интеллектуальных роботов, систем интерфейса мозг-машина и носимых/имплантируемых электронных устройств», — сказал Лю.

Капли GLM заключены в капсулу. Экофлекс, растягивающийся биополимер. Используя 3D-принтер, исследователи напечатали формы Ecoflex и впрыскивали капли жидкого металла на основе галлия и раствор гидрогеля поливинилацетата отдельно в полости формы. Гидрогель не только предотвращает утечку раствора, но и улучшает механические свойства устройства, повышая его коэффициент сопротивления.

«FlexRAM может быть включена в целые жидкостные вычислительные системы, функционируя как логическое устройство».
—Цзин Лю, Университет Цинхуа

В настоящем прототипе массив из 8 блоков FlexRAM может хранить один байт информации.

На этапе концептуальной демонстрации формование с миллиметровым разрешением достаточно для демонстрации принципа его работы, отмечает Лю.

«Возможные размеры этих устройств FlexRAM могут варьироваться в широких пределах», — сказал Лю. «Например, размер каждого из элементов капельной памяти может составлять от миллиметровых до наноразмерных капель. Интересно, что, как показало настоящее исследование, чем меньше размер капель, тем более чувствительна реакция памяти».

Эта новаторская работа прокладывает путь к реализации мозгоподобных цепей, согласуясь с концепциями, предложенными такими исследователями, как Стюарт Паркин из IBM более десяти лет назад. «FlexRAM может быть встроена в целые жидкостные вычислительные системы, функционирующие как логические устройства», — предполагает Лю.

Поскольку исследователи и инженеры продолжают решать проблемы и совершенствовать технологию, потенциальные возможности применения FlexRAM в программном обеспечении робототехникасистемы интерфейса «мозг-машина» и носимая/имплантируемая электроника могут иметь важное значение.