近日，香港科技大學（Hong Kong University of Science and Technology, HKUST）和芝加哥大學（University of Chicago , UChicago）的研究人員首次展示了如何使用液晶軟材料來為邏輯運算設計提供所需的基本要素。這種全新的計算方法為一種具有潛在機器人應用前景的算法鋪平了道路。研究結果發表在 2022 年 2 月 23 日的《科學進展》（Science Advances）上。

芝加哥大學普利茲克分子工程學院（Pritzker School for Molecular Engineering, UChicago）、阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）的高級科學家、該論文的資深通訊作者巴勃羅（Juan de Pablo ) 說 : "我們展示了如何利用液晶來創造電路基礎模塊——如創造門電路、放大器和導體。這意味著我們可以將它們裝配成能執行更加復雜操作的組件。因為通常情況下很少能發現新的運算處理方法，所以此次發現在活性材料領域里是一個非常令人激動的進步。"

這項研究旨在深化對液晶中分子順序的認識。液晶是一種軟材料，通常用于制造液晶電視和筆記本電腦屏幕。液晶中的分子往往是拉長的，當它們被整備在一起時，可以形成一個有序的結構，這種結構也像液體一樣可以四處移動。

這種奇特的分子排列會在液晶間形成相互碰撞、取向不匹配的區域，也就是科學家們所說的 " 拓撲缺陷 "。

科學家們對這種缺陷很感興趣，想知道它們是否可以用來攜帶信息——類似于我們的筆記本電腦或電話電路中的電子。但事實證明它們的行為很難控制。" 通常情況下，如果在顯微鏡下觀察一個動態液晶，看到的將是完全的混沌無序——缺陷在整個區域內四處游走 ," 巴勃羅（de Pablo） 教授說。

不過在去年，一項由 de Pablo 教授實驗室開展的研究開發了一套控制這些拓撲缺陷的技術，該研究由來自香港科技大學（HKUST ）物理系助理教授張銳教領導、普里茲克分子工程學院（Pritzker School of Molecular Engineering）的一名博士后參與，并同芝加哥大學的 Margaret Gardel 實驗室以及斯坦福大學 Zev Bryant 實驗室共同合作開展。

他們的研究表明，通過照亮特定區域來控制向液晶中注入能量的位置，就可以引導缺陷向特定方向移動。在隨后的一篇新論文中，他們通過進一步操作，確定了理論上有可能通過此技術來使液晶像計算機一樣執行運算操作。

由光控制的動態液晶中的拓撲缺陷 | 參考文獻 [ 2 ]

雖然這項技術不太可能馬上應用于晶體管或計算機，但是這項技術可能會為具有傳感、計算和機器人等新功能的設備指明方向，尤其是在軟機器人技術領域。研究小組表示，利用活性液晶，也許能制造出能夠進行自我 " 思考 " 的軟機器人。

他們也設想在微小設備中使用拓撲缺陷，將少量的液體或其他材料從一個地方運輸到另一個地方。張銳教授舉例說道 : " 也許我們可以在合成細胞內部執行操作。大自然很可能已經使用了類似的機制來傳遞信息或進行細胞內活動。"

目前，研究團隊正在同其他合作單位一起開展實驗，以證實理論發現。