“纤维芯片”问世！复旦团队顶刊发文：可以像普通纱线一样织进布料…… | 上海教育传媒网
作者 | 白羽 通讯员 殷梦昊 丁超逸
想象一下，未来我们穿的衣服不仅能保暖，还能像手机、电脑一样处理信息；虚拟现实手套轻薄透气，让医生远程手术时可拥有现场操作般的“触觉”……这些看似科幻的场景，正因一项名为“纤维芯片”的原创成果而增加了早日实现的可能。
1月22日凌晨，国际顶级学术期刊《自然》主刊发表了复旦大学彭慧胜/陈培宁团队的最新研究成果“基于多层旋叠架构的纤维集成电路”，团队成功在柔软的高分子纤维内制造出大规模集成电路，创造出世界首款“纤维芯片”。这意味着，“芯片”第一次从“硬质块体”走向“柔软纤维”，为未来智能织物、脑机接口、虚拟现实等新兴产业提供了新的技术支撑。
该研究得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目支持。复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室教授彭慧胜、陈培宁为本论文通讯作者，博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者。
开辟“纤维芯片”新赛道
从蚕丝、金属导线再到通信光纤，纤维材料的每一次进步，都推动着人类文明的变革。纤维电子器件，因其在信息、能源、医疗等领域的广泛应用前景，一直备受学界与产业界关注。
“传统芯片是硬质、片状的，能不能把它做成柔软的纤维？我们觉得这个想法很有趣。”彭慧胜介绍。早在十多年前，团队就关注到可穿戴设备的巨大潜力，持续探索纤维器件的各种可能。
从纤维太阳能电池、纤维锂电池起步，彭慧胜团队十几年来逐步拓展出包括发光、显示、储能、生物传感等在内的30多种功能纤维器件，相关成果7次登上《自然》（Nature）主刊，部分技术已实现产品落地并在汽车等领域得到应用。
随着研究深入，一个关键问题浮现出来：就像手机、电脑离不开芯片，将不同功能纤维器件形成完整的系统，具备信息交互功能，也必须有自己的“大脑”——一个能够处理信息的核心芯片。然而长期以来，纤维系统的集成普遍依赖连接硬质芯片电路板，这与纤维本身柔软、透气、可编织的特点格格不入。
“带硬质电路板的纤维系统，穿戴舒适性差、连接不稳定、体内植入安全性风险大，这让我们意识到，必须把信息处理模块也做成纤维形态。”陈培宁说。带着这样的想法，团队创造性地提出了“纤维芯片”的概念，从2020年起，在研发织物显示器件的同时，同步启动“纤维芯片”的攻关。
“纤维芯片”概念图
“芯片的信息处理能力依赖于高度互连的复杂电路，要在弹性高分子纤维里实现，极具挑战。”陈培宁解释。传统芯片的光刻工艺普遍依赖平整的硅晶圆衬底，而纤维不仅具有曲面结构，表面积极小，用于制备纤维器件的弹性高分子基底，也很难耐受光刻过程中的各类极性溶剂，同时还要保证在拉伸、扭转等变形中保持电路稳定。
研究一度陷入僵局，直到一次灵感闪现。团队跳出“仅利用纤维表面”的惯性思维，提出多层旋叠架构的设计思路，即在纤维内部构建多层集成电路，形成螺旋式旋叠结构，从而最大化地利用纤维内部空间。“我们借鉴‘卷寿司’的方法，先在弹性高分子表面完成高精度微纳加工，再把它‘卷’成纤维形态，形成多层旋叠架构。”论文共同一作、先进材料实验室博士研究生王臻形容道。
经过近五年摸索、几代学生接力攻关，团队先后攻克了高分子表面平整化、耐溶剂侵蚀、形变下电路稳定等多个技术难题，最终成功制备出具有信息处理功能的“纤维芯片”。
这款“纤维芯片”不仅保持了纤维柔软、可编织的本征特性，更实现了电阻、电容、二极管、晶体管等电子元件的高精度互连，光刻精度达到了实验室级光刻机最高水平。这意味着，基于“纤维芯片”，未来可将发光、传感等模块直接集成在一根纤维上，形成无需外接设备的全闭环系统，甚至实现自供能。
实验推算显示，按照目前实验室级1微米的光刻加工精度，长度为1毫米的“纤维芯片”可集成数万个晶体管，其信息处理能力可与一些医疗植入式芯片相当。若“纤维芯片”长度扩展至1米，其集成晶体管数量有望提升至百万级别，达到与经典计算机中央处理器相当的集成水平。
这项技术突破融合了多学科智慧，得到了复旦大学集成电路与微纳电子创新学院、生物医学工程与技术创新学院、电镜中心及附属中山医院等多个团队的支持。
柔性“芯纤”未来可期
“一根头发丝粗细的纤维，就能集成传感、处理、刺激反馈等闭环功能，这在过去是个不小的挑战。”陈培宁表示，这项研究成果有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等多个领域变革发展提供有力支撑。
在脑机接口领域，“纤维芯片”有望破解传统设备瓶颈，为脑科学研究和脑神经疾病治疗提供新的工具。
在电子织物方面，“纤维芯片”能让普通衣物变身“交互屏”。“过去的织物显示只能实现简单的图案，要做动态视频、触控交互，没有信息处理模块是不行的。”论文共同一作、高分子科学系博士研究生陈珂介绍，借助“纤维芯片”的有源驱动电路，单根纤维可集成高密度像素阵列。这意味着，人们今后或许无需掏出手机，袖口就能显示导航；运动时，衣服可实时显示生理健康数据，甚至播放视频。
在虚拟现实领域，“纤维芯片”也能发挥重要作用。传统触觉交互手套依赖硬质传感器和芯片，难以紧密贴合皮肤，在远程手术等精细操作中存在局限。基于“纤维芯片”的智能触觉手套兼具全柔性与透气性，可集成高密度传感与刺激阵列，更精准模拟不同物体的力学触感。
展望未来，团队希望进一步加强跨学科协作与产业合作，通过材料与工艺的优化，提升芯片良率和集成度，推动“纤维芯片”在更多领域实现高质量应用。“长远来看，我们希望有一天，基于‘纤维芯片’的电子织物，能像手机、电脑一样进行高效的信息交互。”陈培宁说。
