芝加哥大學普利茲克分子工程學院的研究人員首次展示瞭如何使用一種被稱為液晶的材料來設計邏輯運算所需的基本元素–為一種全新的計算方式鋪平道路。

最近發表在《科學進展》上的這一成果不可能立即成為晶體管或計算機，但這一技術可以為具有傳感、計算和機器人等新功能的設備指明方向。

“我們的研究表明你可以創建電路的基本構件–門、放大器和導體–這意味著你應該能夠將它們組裝成能夠執行更複雜操作的排列方式，”阿貢國家實驗室的高級科學家、該論文的資深通訊作者Juan de Pablo說。“對於活性材料領域來說，這是一個真正令人興奮的步驟。”

該研究旨在更仔細地觀察一種叫做液晶的材料。液晶中的分子往往是細長的，當它們擠在一起時，採用一種具有某種秩序的結構，就像鑽石晶體中的直排原子一樣–但這種結構並不像固體那樣被固定在原地，而是也能像液體那樣四處移動。科學家們一直在尋找這類奇怪的東西，因為他們可以利用這些不尋常的特性作為新技術的基礎；例如，你家裡可能已經有的液晶電視或你的筆記本電腦的屏幕中就有液晶。

這種奇怪的分子秩序的一個後果是，在所有的液晶中都有一些點，這些有序的區域相互碰撞，它們的方向不完全匹配，產生了科學家所說的“拓撲學缺陷”。這些斑點隨著液晶的移動而移動。

科學家們對這些缺陷很感興趣，想知道它們是否可以用來攜帶信息–類似於你的筆記本電腦或手機電路中的電子功能。但是為了用這些缺陷製造技術，你需要能夠把它們放在你想要的地方，而事實證明控制它們的行為非常困難。de Pablo說：“通常情況下，如果你通過顯微鏡觀察一個有源液晶的實驗，你會看到完全的混亂–缺陷在所有地方移動。”

但是去年，de Pablo的實驗室在時任普利茲克分子工程學院博士後的張銳領導下，與芝加哥大學的瑪格麗特-加德爾教授實驗室和斯坦福大學的澤夫-布萊恩特教授實驗室合作，想出了一套控制這些拓撲缺陷的技術。他們表明，如果他們通過只對特定區域進行光照來控制向液晶中投放能量的位置，他們可以引導缺陷向特定方向移動。

在一篇新的論文中，他們在邏輯上更進一步，確定在理論上應該可以使用這些技術使液晶像計算機一樣執行操作。

現在是香港科技大學副教授的張銳說：“這些具有電路中電子的許多特性–我們可以長距離移動它們，放大它們，並像晶體管門一樣關閉或打開它們的傳輸，這意味著我們可以用它們進行相對複雜的操作。”

科學家們表示，儘管計算表明這些系統可用於計算，但它們更有可能在軟體機器人領域等應用中發揮獨特的作用。研究人員對軟體機器人感興趣–身體不是由堅硬的金屬或塑料製成，而是由彈性和柔軟的材料製成的機器人–因為它們的靈活性和柔性的觸感意味著它們可以執行普通機器人無法執行的功能。該團隊可以想像創造這樣的機器人，它們可以使用活性液晶做一些自己的“思考”。

他們還可以想像利用拓撲缺陷將少量液體或其他材料從一個地方運送到另一個地方的微小裝置內。張銳說：“例如，也許可以在一個合成細胞內執行功能。”他說，自然界可能已經使用類似的機制來傳輸信息或在細胞內執行行為。

該研究小組還包括共同作者和芝加哥大學博士後研究員Ali Mozaffari，他們正與合作者合作開展實驗，以確認理論研究結果。

de Pablo表示：“你能夠看到一種新的計算方式是不常見的。”