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SamsungのGalaxy Foldシリーズや、GoogleのPixel Foldなど、折りたたみディスプレイを備えたスマートフォンが少しずつ登場し、今後Appleも同様の折りたたみiPhoneを製作すると噂され、フレキシブルデバイスの需要は今後拡大することが予想されている。だが、それ以外にも、より生物の動きを模倣したロボットや、ウェアラブルデバイスなど、これまでの硬い機械とは異なった柔軟なデバイスの研究も進められており、こうしたデバイスに搭載するため、性能を損なうことなく、曲げたり、ねじったりすることができるデータ・ストレージシステムの研究も進められている。

今回、中国の清華大学の研究者らが発表したのは、そうした未来のフレキシブルデバイスに向けたもので、完全にフレキシブルな抵抗性ランダムアクセスメモリを液体金属で開発することに成功したのだ。

「フレキシブル・デバイスの使用が増えるにつれて、メモリの変形可能な特性に対する需要も高まるでしょう」と、北京にある清華大学生体医用工学部のJing Liu教授は語った。

「FlexRAM」と呼ばれるこのデバイスは、液体金属であるガリウムの液滴を、伸縮可能なバイオポリマーであるEcoflexに懸濁して注入することで、約70%が水である人間の脳に似た溶液環境を再現し、情報を保存する。「このバイオミメティック・アプローチは、生体内で見られる水溶液の作業環境に合致しており、(固体の)従来のメモリー・システムとは一線を画しています」とLiu教授は述べている。

メモリ・デバイスの柔軟性は、これまでのところ限られている。通常、デバイスは柔らかい基板材料に硬いメモリー部品を蒸着して製造されるため、デバイスは部分的にしか柔軟性を持たず、デバイスが変形すると剥がれたり割れたりする。Liu教授らが用いた製造方法は、この状況を変える可能性がある。

「このブレークスルーは、従来のフレキシブル・メモリーの概念を根本的に変えるものであり、将来のソフト・インテリジェント・ロボット、ブレイン・マシン・インターフェース・システム、ウェアラブル/インプラント型電子デバイスの理論的基礎と技術的道筋を提供するものです」とLiu氏は語った。

初の完全にフレキシブルなメモリ

FlexRAMを製造するために、研究者たちはガリウムとインジウムからなる合金をメモリ部品として使用した。

ガリウム系液体金属は、溶液環境において酸化と還元を繰り返すため、神経細胞の分極と脱分極に類似している。また、ガリウム系液体金属は室温でも液体状態を維持するため、酸化が促進され、液体の表面に緻密な酸化ガリウム層が形成される。

この酸化物層は蓄電システムの高電気抵抗状態に相当し、液体の還元型である元素状ガリウムは低抵抗状態である。この2つの状態の間の大きな抵抗差、つまり高い抵抗比は、メモリ・ストレージの性能に不可欠である。

メモリ・ストレージ・デバイスは、高記憶密度、高速読み出し・書き込み速度、エネルギー効率、耐久性、信頼性、データ保持など、他の多くの性能基準も満たさなければならない。しかし、デバイスの柔軟性を最大化しながら、これらの基準のバランスを取ることは容易なことではない。

研究者たちは、あらゆる変形に耐えられるデバイスを構築するため、伸縮可能なポリマーであるEcoflexをデバイスの封止材として使用した。3DプリンターでEcoflexの型を印刷し、ガリウムベースの液体金属とポリ酢酸ビニルハイドロゲルの溶液の液滴を別々に型の空洞に注入した。ハイドロゲルは溶液の漏れを防ぐだけでなく、デバイスの機械的特性を高め、デバイスの抵抗比を増加させる。

a gold reflective surface against a green background
(Credit: JING LIU/TSINGHUA UNIVERSITY)

Liu氏によれば、金属液滴のサイズも重要だという。「ガリウムベースの液体金属のサイズは、FlexRAMの高抵抗状態/低抵抗状態の比率に大きく影響し、液滴のサイズが小さいほど、表面の酸化膜の影響が強化されるため、比率が高くなります」と同氏は説明する。

「液滴サイズを小さくすることは、FlexRAMの集積化とスケーラビリティに有利であり、完全フレキシブルな高密度メモリは、多様なエンジニアリング開発にとって有望な選択肢となります」と、Liu氏は述べている。

FlexRAMがデータを保存、読み書きする仕組み

このデバイスは、ガリウムを主成分とする液体金属の酸化および還元プロセスを通じてデータを符号化する。低電圧が印加されると、液体金属は酸化され、高抵抗状態の「1」に対応する。電圧の極性を逆にすると、金属は最初の低抵抗状態である「0」に戻る。この可逆的なスイッチング・プロセスが、メモリーの保存と消去を可能にしている。

liquid metal ram
FlexRAMの心臓部であるガリウム系液体金属の酸化・還元状態の写真 (Credit: JING LIU/TSINGHUA UNIVERSITY)

研究者たちは、FlexRAMをソフトウェアとハードウェアのセットアップに組み込むことで、その読み書きの能力を実証した。コンピュータのコマンドを使って、8個のFlexRAMストレージ・ユニットのアレイに、0と1の形式でエンコードされた文字列と数字を書き込んだ。

コンピューターからのデジタル信号は、パルス幅変調と呼ばれる技術を使ってアナログ信号に変換され、液体金属の酸化と還元を注意深く制御した。「情報の読み取り中に、短時間の1ボルトのテスト電圧が印加され、液体金属の酸化還元状態を変化させることなくシステムの抵抗状態を測定します」と、Liu氏は述べている。

読み取られた電流はコンピューターに送られ、コンピューターはアルゴリズムを使って電流信号を0か1のデジタル信号に変換し、最終的にエンコードされたメッセージをLEDスクリーンに表示する。

FlexRAMに保存されたデータは、電源を切っても保持される。低酸素または無酸素環境では、FlexRAMは最大43,200秒(12時間)までデータを保持できる。また、繰り返し使用することも可能で、3500サイクル以上の操作で安定した性能を維持した。

現在のプロトタイプでは、8 つの FlexRAM ユニットのアレイに 1 バイトの情報を保存できる。

「これらのFlexRAMデバイスの考えられるサイズ・スケールは広範囲に及ぶ可能性があります。例えば、液滴メモリ素子の各サイズは、ミリメートルからナノスケールの液滴まで可能です。興味深いことに、今回の研究で明らかになったように、液滴のサイズが小さいほど、メモリ応答の感度が高くなります」と、Liu氏は説明する。

この性能はプロトタイプとしては有望だが、実用化までにはいくつかの点で改良が必要だ。Liu氏によれば、現時点では、その反応速度と集積度は商業的水準に達していないという。また、機能性材料を順次充填していく製造プロセスも改善する必要がある。

「FlexRAM は液体ベースのコンピューティング システム全体に組み込まれ、ロジック デバイスとして機能する可能性があります。近い将来、インテリジェントで自動化された製造工程と、三次元空中印刷や包装技術が採用されるでしょう」とLiu氏は構想している。


論文

参考文献

研究の要旨

ストレージシステムは電子デバイスの重要な構成要素であるが、既存のストレージ手法の限界により、フレキシブルメモリーの実現には大きな課題が残っている。人間の脳における分極と脱分極のメカニズムにヒントを得て、液体金属の酸化と脱酸の挙動を導入することで、完全にフレキシブルなメモリーを実現する新しいストレージ原理を提案する。具体的には、可逆的な電気化学的酸化を利用して、ターゲットとなる液体金属の全体的な導電率を変調させ、バイナリ・データ・ストレージのための実質的な11次の抵抗差を作り出す。最良の記憶性能を得るために、複数のパラメーターの系統的最適化が行われた。概念的な実験では、極端な変形(100%の伸張、180度の曲げ、360度のねじれ)に対するメモリーの安定性が実証された。また、さらなるテストにより、メモリの単位サイズが小さくなるほど性能が向上することが明らかになり、優れた統合性が保証された。最終的に、完全なストレージ・システムは、高速ストレージ・スピード(33Hz以上)、長いデータ保持容量(43200秒以上)、安定した繰り返し動作(3500サイクル以上)など、驚くべき性能指標を達成した。この画期的な方法は、既存の電子ストレージ・ユニット固有の剛性制限を克服するだけでなく、ニューロモーフィック・デバイスの革新に新たな可能性を開くものであり、ソフト・ロボット工学、ウェアラブル・エレクトロニクス、生物に触発された人工知能システムなど、将来の応用に向けた基礎的かつ実用的な道を提供するものである。

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