近日，香港科技大學(xué)（Hong Kong University of Science and Technology, HKUST）和芝加哥大學(xué)（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(yùn)算設(shè)計(jì)提供所需的基本要素。這種全新的計(jì)算方法為一種具有潛在機(jī)器人應(yīng)用前景的算法鋪平了道路。研究結(jié)果發(fā)表在 2022 年 2 月 23 日的《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院（Pritzker School for Molecular Engineering, UChicago）、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室（Argonne National Laboratory）的高級(jí)科學(xué)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(chuàng)造電路基礎(chǔ)模塊——如創(chuàng)造門電路、放大器和導(dǎo)體。這意味著我們可以將它們裝配成能執(zhí)行更加復(fù)雜操作的組件。因?yàn)橥ǔＧ闆r下很少能發(fā)現(xiàn)新的運(yùn)算處理方法，所以此次發(fā)現(xiàn)在活性材料領(lǐng)域里是一個(gè)非常令人激動(dòng)的進(jìn)步。"

這項(xiàng)研究旨在深化對(duì)液晶中分子順序的認(rèn)識(shí)。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(dāng)它們被整備在一起時(shí)，可以形成一個(gè)有序的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也像液體一樣可以四處移動(dòng)。

這種奇特的分子排列會(huì)在液晶間形成相互碰撞、取向不匹配的區(qū)域，也就是科學(xué)家們所說的 " 拓?fù)淙毕?"。

科學(xué)家們對(duì)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(shí)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(gè)動(dòng)態(tài)液晶，看到的將是完全的混沌無序——缺陷在整個(gè)區(qū)域內(nèi)四處游走 ," 巴勃羅（de Pablo） 教授說。

不過在去年，一項(xiàng)由 de Pablo 教授實(shí)驗(yàn)室開展的研究開發(fā)了一套控制這些拓?fù)淙毕莸募夹g(shù)，該研究由來自香港科技大學(xué)（HKUST ）物理系助理教授張銳教領(lǐng)導(dǎo)、普里茲克分子工程學(xué)院（Pritzker School of Molecular Engineering）的一名博士后參與，并同芝加哥大學(xué)的 Margaret Gardel 實(shí)驗(yàn)室以及斯坦福大學(xué) Zev Bryant 實(shí)驗(yàn)室共同合作開展。

他們的研究表明，通過照亮特定區(qū)域來控制向液晶中注入能量的位置，就可以引導(dǎo)缺陷向特定方向移動(dòng)。在隨后的一篇新論文中，他們通過進(jìn)一步操作，確定了理論上有可能通過此技術(shù)來使液晶像計(jì)算機(jī)一樣執(zhí)行運(yùn)算操作。

由光控制的動(dòng)態(tài)液晶中的拓?fù)淙毕?| 參考文獻(xiàn) [ 2 ]

雖然這項(xiàng)技術(shù)不太可能馬上應(yīng)用于晶體管或計(jì)算機(jī)，但是這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)為具有傳感、計(jì)算和機(jī)器人等新功能的設(shè)備指明方向，尤其是在軟機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。研究小組表示，利用活性液晶，也許能制造出能夠進(jìn)行自我 " 思考 " 的軟機(jī)器人。

他們也設(shè)想在微小設(shè)備中使用拓?fù)淙毕�，將少量的液體或其他材料從一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)搅硪粋�(gè)地方。張銳教授舉例說道 : " 也許我們可以在合成細(xì)胞內(nèi)部執(zhí)行操作。大自然很可能已經(jīng)使用了類似的機(jī)制來傳遞信息或進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)活動(dòng)。"

目前，研究團(tuán)隊(duì)正在同其他合作單位一起開展實(shí)驗(yàn)，以證實(shí)理論發(fā)現(xiàn)。