近日，香港科技大学（Hong Kong University of Science and Technology, HKUST）和芝加哥大学（University of Chicago , UChicago）的研究人员首次展示了如何使用液晶软材料来为逻辑运算设计提供所需的基本要素。这种全新的计算方法为一种具有潜在机器人应用前景的算法铺平了道路。研究结果发表在2022年2月23日的《科学进展》（Science Advances）上。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院（Pritzker School for Molecular Engineering, UChicago）、阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的高级科学家、该论文的资深通讯作者巴勃罗（Juan de Pablo )说: “我们展示了如何利用液晶来创造电路基础模块如创造门电路、放大器和导体。这意味着我们可以将它们装配成能执行更加复杂操作的组件。因为通常情况下很少能发现新的运算处理方法，所以此次发现在活性材料领域里是一个非常令人激动的进步。”
这项研究旨在深化对液晶中分子顺序的认识。液晶是一种软材料，通常用于制造液晶电视和笔记本电脑屏幕。液晶中的分子往往是拉长的，当它们被整备在一起时，可以形成一个有序的结构，这种结构也像液体一样可以四处移动。
这种奇特的分子排列会在液晶间形成相互碰撞、取向不匹配的区域，也就是科学家们所说的“拓扑缺陷”。
科学家们对这种缺陷很感兴趣，想知道它们是否可以用来携带信息类似于我们的笔记本电脑或电话电路中的电子。但事实证明它们的行为很难控制。“通常情况下，如果在显微镜下观察一个动态液晶，看到的将是完全的混沌无序缺陷在整个区域内四处游走,”巴勃罗（de Pablo） 教授说。
不过在去年，一项由de Pablo教授实验室开展的研究开发了一套控制这些拓扑缺陷的技术，该研究由来自香港科技大学（HKUST ）物理系助理教授张锐教领导、普里兹克分子工程学院（Pritzker School of Molecular Engineering）的一名博士后参与，并同芝加哥大学的Margaret Gardel实验室以及斯坦福大学Zev Bryant实验室共同合作开展。
他们的研究表明，通过照亮特定区域来控制向液晶中注入能量的位置，就可以引导缺陷向特定方向移动。在随后的一篇新论文中，他们通过进一步操作，确定了理论上有可能通过此技术来使液晶像计算机一样执行运算操作。
由光控制的动态液晶中的拓扑缺陷 | 参考文献[2]
虽然这项技术不太可能马上应用于晶体管或计算机，但是这项技术可能会为具有传感、计算和机器人等新功能的设备指明方向，尤其是在软机器人技术领域。研究小组表示，利用活性液晶，也许能制造出能够进行自我“思考”的软机器人。
他们也设想在微小设备中使用拓扑缺陷，将少量的液体或其他材料从一个地方运输到另一个地方。张锐教授举例说道: “也许我们可以在合成细胞内部执行操作。大自然很可能已经使用了类似的机制来传递信息或进行细胞内活动。”
目前，研究团队正在同其他合作单位一起开展实验，以证实理论发现。
参考文献
[1] https://www.eurekalert.org/news-releases/945122
[2] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9060
编译：绿洲
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：参考文献[2]
研究团队
通讯作者/第一作者Rui Zhang （张锐）：香港科技大学物理系助理教授。
课题组主页https://pme.uchicago.edu/group/de-pablo-group
https://facultyprofiles.hkust.edu.hk/facultylisting.php
论文信息
发布杂志《科学进展》Science Advances
发布时间2022年2月23日
论文标题Logic operations with active topological defects
（DOI: 10.1126/sciadv.abg9060）
文章领域应用物理学
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