液態金屬存儲器：在溶液中如大腦般讀寫信息

存儲器是一種專門用于存儲程序和各種數據指令的電子記憶部件，在各類電子設備中扮演著核心角色，是信息時代的標配。

存儲器發展歷程

自從馮·諾伊曼結構被提出以來[1]，人類始終在持續推動著存儲器件的創新發展。各類存儲器以其獨特的功能，支撐著現代計算機系統的運行，并在不斷發展中邁向新的高度。

存儲器的發展歷程可以追溯到早期的計算機設計，當時使用電子管作為存儲元件，速度相對較慢，且容量有限。電子管由于體積大、功耗高、壽命短等問題，由此制成的存儲器逐漸被后續的磁性存儲器所取代，如旋轉磁鼓和磁盤等。這些磁性存儲器，相比于電子管存儲器尺寸要小很多，但速度和容量卻得到了提升，并在可靠性上更加優越。1970年代后，隨著半導體材料和技術的不斷革新，出現了更多形式的存儲器，它們按使用類型可分為只讀存儲器（ROM）和隨機存儲器（RAM）。隨著技術的進步，靜態隨機存儲器（SRAM）、動態隨機存儲器（DRAM）、閃存存儲器（NAND和NOR）、帶電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM）等相繼問世，持續改善和優化了存儲器的存儲密度、讀寫速度、使用壽命、功耗和可靠性等性能指標，使得半導體存儲器成為現代計算機系統中不可或缺的組成部分，被廣泛應用于電子設備和存儲單元等領域。

近年來，隨著技術的快速迭代和發展，人類社會大踏步進入仿生時代。相應進展標志著對電子設備的需求不僅集中在提高智能化和便攜性上，還對存儲器在柔性、靈活性等方面提出了更高要求，繼而催生了一系列新興應用領域，如可穿戴設備、智能傳感器、智能家居、便攜式醫療設備、植入式電子產品、可卷曲顯示屏、生物醫學傳感器等[2-4]。這些新型電子設備均對存儲器的可彎曲、拉伸等性能提出了新要求。而傳統的半導體存儲器面臨著柔性和穩定性之間的矛盾。因此，研發出在不影響性能的前提下可以完成拉伸、彎曲和扭曲的數據存儲系統正變得非常必要。與之矛盾的是，為實現高性能存儲器，需要采用高穩定性材料，但這些材料一般較硬，難以實現柔性特性。當前大多數發展柔性存儲設備的思路與策略是將剛性存儲單元沉積在柔性襯底材料上，但這在靈活性上較為有限，且剛性存儲功能層與柔性基板間存在彈性模量不匹配，在動態變形過程中會引發機械不穩定，繼而使得存儲功能失效。

為從根本上實現柔性存儲器，必須同時采用柔性基底和柔性電極材料，但現今許多柔性材料的電學穩定性往往較差。究其原因是受限于目前所用材料，導致存儲設備往往難以在柔性和穩定性之間實現平衡，因而制約了應用場景?？梢姡瑢崿F在拉伸、彎曲、自由接觸和形狀變形下均能正常工作的全柔性存儲器件是一個關鍵瓶頸，成為當前柔性存儲器領域亟待解決的核心問題，相應探索具有極為重要的理論意義和實用價值。

液態金屬存儲器：柔性與穩定性的完美結合

在這一背景下，作者實驗室受生物神經系統以極化和去極化方式處理信息的機制啟發，于近期提出了一類全新原理的液態金屬存儲器[5]，通過液相存儲的方式，成功解決了柔性存儲設備在柔性和穩定性之間的矛盾，為制造高度集成和可靠的全柔性存儲器件開辟了可行途徑，尤其打破了傳統存儲方式的邊界，實現了將信息存儲于液體中，為神經形態智能器件與計算體系等的研發打下了基礎，這一成果也預示著可望打開賽博格時代的大門。未來，液態金屬存儲器將與各種信息技術深度融合，創造出更具彈性、智能和適應性的生物機器混合體。這一景象或將見證人類在生物與工程學交匯的領域中邁出新的步伐，繼而催生出更為令人驚奇的技術進步[6]。

液態金屬存儲器是一類利用溶液中液態金屬獨特的氧化還原機制制成的新一代信息存儲器，其中的典型材料鎵基液態金屬（gallium-based liquid metal， GLM）由于在室溫下具有良好的流動性和出色的電學性質，為此類存儲器的研發提供了物質基礎。而且GLM在溶液環境中會出現許多重要的物理化學行為，這為構筑仿生物乃至類腦智能提供了天然的物質基礎[7，8]。眾所周知，生物的記憶通常是通過大腦中神經元之間的連接來實現的，而大腦作為一種高度復雜、具有記憶和思維能力的器官，組成成分約70%都是水，其中有著數百億個神經元和數萬億個突觸連接，這使得大腦能夠在液相環境中以極低的能量消耗實現完全靈活、準確的存儲記憶以及學習功能。從仿生學的角度來看，生物體內水的存在是其與非生命體的主要區別之一，作者實驗室為此提出了有普遍意義的液體集成一般性原則，旨在實現類腦智能和制造未來尖端機器人[9]?？梢钥吹?，將信息存儲在溶液環境中是自然界啟示給人類的一種特殊而高級的方式。這種獨特模式激發了科學家們對于利用液體材料設計仿生存儲單元的興趣，以期實現具有存儲密度高、可塑性強、能耗低、彈性好及適應性良好的液相存儲設備。液相存儲的最大優勢在于液體的流動性和液相環境高效反應特點，這意味著可通過在液體介質中引入可溶性的離子或分子，賦予體系可被外場調控的能力。利用液體存儲的這些特性，更靈活、高效和智能的數據存儲有望被突破，從而推動數據存儲技術的變革。液態金屬存儲器即是此類液相存儲器的典型代表，可由此迎來更多的科技發展與創新。

液態金屬存儲器可逆性氧化還原工作原理

為實現存儲功能，實現0和1兩種狀態穩定可逆的轉變至關重要。實驗揭示，GLM液滴在溶液環境中易于實現氧化和還原狀態的可逆轉變，這一過程僅需調控電流的大小和極性方向就可完成。這種存儲機制與歷經數十億年進化的生物腦通過神經元的極化和去極化來實現高效且低能耗的思考和信息記憶存儲有著異曲同工之妙。研究揭示，GLM液滴由于氧化態致密氧化層的存在，整體導電性顯著低于還原態，二者之間的導電率差距高達11個數量級，這一巨大差異為存儲信息的裕度和穩定性奠定了物質基礎，并且可根據實際需要加以靈活調控?；谶@兩種狀態之間的可逆轉換，便可以對0和1二進制信息進行編碼，進而構建和集成可讀寫、可擦除的存儲器[5]。

在實際應用中，GLM穩定可控、可逆氧化與還原至關重要。利用低壓電場對GLM進行受控氧化，或通過改變電壓的極性，可將氧化后的GLM還原恢復至初始態，這兩種狀態之間的可逆轉變十分快捷且能耗極低，特別是，兩者之間的電阻差別迥異且相當穩定，這就確保了狀態識別的高可靠性和準確度，為研發柔性存儲器提供了重要保障。為全面評估全柔性存儲單元的電學性能并建立理論體系，作者實驗室測試了柔性存儲器在氧化過程中的頻率響應特性，并繪制了電化學阻抗譜。根據奈奎斯特圖和GLM氧化的原理，可建立等效電路模型來評估柔性存儲器件內部的電化學系統及其性質，從而為進一步優化器件性能提供指導[5]。

液態金屬存儲器的可拉伸、彎曲及扭轉特性

通過將GLM 液滴封裝在一種可拉伸的生物聚合物中，并使用 3D 打印技術制作模具予以集成，可對該全柔性存儲器件的可拉伸性、可彎曲性和可扭轉性方面進行評估，結果證實了器件具有強大的抗拉伸疲勞特性。這些特性對于未來發展柔性智能系統具有重要意義。在工作溫度方面，研究顯示，在0～60℃，柔性存儲器能夠保持工作的穩定性和可靠性。此外，值得注意的是，這種全柔性存儲設備還具備出色的可集成性。為說明這一點，研究人員測試了不同粒徑的GLM液滴在氧化和還原狀態下的電阻變化。結果顯示，隨著GLM液滴尺寸的減小，對存儲性能影響更大的高阻態/低阻態（HRS/ LRS）比值趨于增大，這種高密度可集成性使得液態金屬存儲器在工程領域中具有廣闊的應用前景[5]。

液態金屬存儲器在實際應用中的性能也得到了檢驗。在所研制的一款由軟件和硬件組成的 FlexRAM工作系統中[5]，通過計算機命令，可將一串以0和1形式表示的字母和數字編碼到由8個 FlexRAM 存儲單元組成的陣列上，相當于 1個字節的數據信息。使用脈寬調制將計算機的數字信號轉換為模擬信號，以精確控制GLM的氧化和還原，由此演示了存儲數據的整個讀寫過程。通過這個系統，證明了柔性存儲器功能的完整性和可靠性。對于存儲器件來說，響應速度、數據維持時間和可循環次數等是關鍵的性能參數。對單個存儲單元進行的測試結果顯示，所實現的存儲器系統具有出色的存儲速度（≥33 赫茲）、卓越的數據保持時間（≥43 200秒）和穩定的長期使用性能（≥3500次循環），超過了大多數以往報道過的新型全柔性存儲器設備[5]。

通過對溶液中電觸發下GLM氧化和還原過程中電導率變化規律的揭示，研究人員證實了全柔性隨機存取存儲器（FlexRAM）可實現數據的讀寫和擦除?？偟恼f來，FlexRAM是一種具有高度通用性的新一代柔性電子設備，可在嚴重變形的情況下執行存儲功能。與使用其他剛性或傳統柔性材料的存儲設備不同，FlexRAM確保了所有組件的靈活性，防止了變形過程中的機械性能不匹配。此外，相比于以往所實現的柔性存儲設備，FlexRAM在數據保留時間、響應速度、耐用性等特性方面具有顯著優勢，而且其制造相對簡單，只需將GLM液滴和水凝膠依次生成到3D打印模具中，然后集成配合以特定的電信號控制單元，即可完成數據寫入和讀取，展示出優異的成本效益和可集成潛力。

結語與展望

總的說來，作為電子設備和計算系統的核心組成部分，當代存儲器仍在不斷演進。作者實驗室通過引入液態金屬可逆的氧化還原機制，實現了在溶液中對數據進行讀寫和擦除，由此構建的存儲器（FlexRAM）實現了柔性與穩定性的優勢結合，從根本上改變了對傳統存儲器的常規認識和理念，為全柔性存儲系統的研發提供了全新思路。這種液相存儲器具有高度通用性，可在各種顯著變形狀態下執行存儲功能，具有優異的適應能力。此外，FlexRAM在數據保存時間、響應速度、持久性等方面也表現卓越，可望在柔性存儲設備中脫穎而出。目前對原型機進行論證，毫米級尺寸的芯片足以演示其工作原理。今后，FlexRAM在器件尺寸和集成度上可更為廣泛，單個液滴存儲元件的尺寸可從毫米到納米級。正如研究中所揭示的，液滴尺寸越小，記憶反應越敏感，這有利于 FlexRAM 的高密度集成和可擴展性，使完全柔性的3D存儲器成為各種工程開發的有希望的選擇，也使得FlexRAM 可以整合到完全液體的計算系統中，充當存儲設備。FlexRAM的柔性和高性能將為智能手環、智能眼鏡、電子服裝等提供存儲解決方案，這對提升可穿戴設備的智能性和用戶體驗十分有益。另外，在腦機接口、柔性機器人甚至是機器-生物信息交換處理方面，液態金屬存儲器的高存儲密度和快速讀寫速度，將為人工智能模型的訓練和推理提供高效支持，繼而推動人工智能硬件技術邁向新的高度。當然，也應指出，液態金屬存儲器在實現真正商業化之前仍需克服諸多問題，比如目前其響應時間、集成度與商業標準還存在距離，生產工藝、功能材料篩選、封裝和集成乃至可靠性、壽命等也需評估完善。

總體而言，FlexRAM的問世是柔性存儲器領域的變革性突破，為電子設備的發展打開了新的可能和空間，其在柔性與穩定性之間的平衡，以及在溶液中讀寫信息的方式，為存儲器技術的未來發展指出了新的方向。相信隨著這一技術的進一步研究和推廣，再輔以懸空3D打印[10]等新興技術，液態金屬存儲器將在更多前沿領域發揮作用，為未來的人工智能、大數據處理等領域帶來低成本、便利快捷的解決方案。此外，液態金屬作為關鍵材料，其本身也將在如類腦計算、全液態信息存儲等方面，為人類更好地適應生物與技術融合提供重要支持。

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關鍵詞：液態金屬 存儲器 柔性電子 仿生技術 ■