image: Topological defects in an active liquid crystal controlled by a light pattern. view more
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香港科技大学（科大）聯同芝加哥大学的研究人员首次实现了利用液晶软物质作为逻辑运算的基本单元，有望发展为执行计算的全新方法，并应用在机器人技术上。
“我们展示了如何以液晶软物质创建电路的基本构建块，即门、放大器和导体，将它们组装起来便能够执行更复杂操作。”芝加哥大学分子工程学院的Liew Family讲席教授、阿贡国家实验室的高级科学家、论文的高级通讯作者 Juan DE PABLE 说。“一种全新的计算方式是比较罕见的，这对于活性材料领域来说是非常激动人心的新进展。”
该团队对常用於制作家用液晶电视和笔记本电脑屏幕的液晶材料展开了详细的研究。液晶中的分子通常是细长型的，它们总是以某种有序的结构堆积在一起，並且像液体分子一样可以移动。
这种分子结构导致液晶材料中存在一些特殊的区域，这些区域的分子互相擠壓並指向不同方向，从而在区域内产生了所谓的“拓扑缺陷”。
该团队对这些缺陷很感兴趣，想知道它们是否可以像电子一样在笔记本电脑或手机中那样储存和传递信息。但事实证明很难人为控制它们的运动轨迹。“通常情况下，如果通过显微镜去观察活性液晶，会发现这些缺陷在四处游走，完全没有规律可循。”de Pablo教授说。
但去年，由現任科大物理系助理教授、时任普利兹克分子工程学院博士后学者张锐领导的de Pablo实验室与芝加哥大学的Margaret GARDEL教授的实验室和斯坦福大学Zev BRYANT教授的实验室合作，研究出控制这些拓扑缺陷的可行方案。
他们的研究表明，如果通过对特定区域进行光照以向液晶材料输入能量，则可以引导缺陷向指定方向移动。在后续的一篇新论文中，他们从理论上确定可以使用这些技术使液晶像计算机一样执行操作。
这项学术成果于 2022年2月23日发表在《Science Advances》。
“这些缺陷具有电路中电子的许多特性，比如它们可以长距离移动、局部增强，或像在晶体管门中一样阻断或打开传输，这使得它们可用于执行更复杂的操作，”张锐教授说。
虽然该技术不具备即刻转化为晶体管或计算机的成熟性，但其在未来具有传感、计算和机器人（特別是软体机器人）技术方面的设备设计上有不容忽视的指导性。该团队认为，软体机器人可以使用活性液晶进行一些自己的“思考”。
他们认为拓扑缺陷还可以将少量液体或其他材料从一个地方运送到另一个地方。“例如，在合成细胞内执行功能，”张锐教授说。“大自然可能已经使用类似的机制在细胞内传输信息或执行指令。”
该研究团队的共同作者还包括芝加哥大学博士后研究员 Ali MOZAFFARI，他正在与其他合作者合作开展实验研究，以证实理论研究结果。
芝加哥大学材料研究科学与工程中心为该项研究工作提供资源。
Journal
Science Advances
Article Title
Logic operations with active topological defects
Article Publication Date
23-Feb-2022