【儀表網 研發快訊】你能否想象未來的衣服能直接播放視頻，手套能精準模擬觸感，甚至一根細如發絲的纖維就能完成腦電信號的探測與處理？復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室、聚合物分子工程全國重點實驗室彭慧勝、陳培寧團隊突破傳統芯片硅基研究范式，率先提出并制備“纖維芯片”，在彈性的高分子纖維內實現大規模集成電路，成功將供電、傳感、顯示、信號處理等多功能集成于一根纖維之內，為纖維電子系統開辟全新的集成路徑。
該成果于北京時間1月22日凌晨以《基于多層旋疊架構的纖維集成電路》(“Fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”)為題發表于《自然》(Nature)期刊，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業提供強有力的技術支撐。
從單一器件到高密度集成電路，開辟“纖維芯片”新賽道
從蠶絲、金屬導線再到通信光纖，纖維材料的每一次進步，都推動著人類文明的變革。纖維電子器件，因其在信息、能源、醫療等領域的廣泛應用前景，一直備受學界與產業界關注。
“傳統芯片是硬質、片狀的，能不能把它做成柔軟的纖維？我們覺得這個想法很有趣。”彭慧勝介紹。早在十多年前，團隊就關注到可穿戴設備的巨大潛力，持續探索纖維器件的各種可能。
從纖維太陽能電池、纖維鋰電池起步，彭慧勝團隊十幾年來逐步拓展出包括發光、顯示、儲能、生物傳感等在內的30多種功能纖維器件，相關成果7次登上《自然》(Nature)主刊，部分技術已實現產品落地并在汽車等領域得到應用。
隨著研究深入，一個關鍵問題浮現出來：就像手機、電腦離不開芯片，將不同功能纖維器件形成完整的系統，具備信息交互功能，也必須有自己的“大腦”——一個能夠處理信息的核心芯片。然而長期以來，纖維系統的集成普遍依賴連接硬質芯片電路板，這與纖維本身柔軟、透氣、可編織的特點格格不入。
“帶硬質電路板的纖維系統，穿戴舒適性差、連接不穩定、體內植入安全性風險大，這讓我們意識到，必須把信息處理模塊也做成纖維形態。”陳培寧說。帶著這樣的想法，團隊創造性地提出了“纖維芯片”的概念，從2020年起，在研發織物顯示器件的同時，同步啟動“纖維芯片”的攻關。
“芯片的信息處理能力依賴于高度互連的復雜電路，要在彈性高分子纖維里實現，極具挑戰。”陳培寧解釋。傳統芯片的光刻工藝普遍依賴平整的硅晶圓襯底，而纖維不僅具有曲面結構，表面積極小，用于制備纖維器件的彈性高分子基底，也很難耐受光刻過程中的各類極性溶劑，同時還要保證在拉伸、扭轉等變形中保持電路穩定。
研究一度陷入僵局，直到一次靈感閃現。團隊跳出“僅利用纖維表面”的慣性思維，提出多層旋疊架構的設計思路，即在纖維內部構建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結構，從而最大化地利用纖維內部空間。“我們借鑒‘卷壽司’的方法，先在彈性高分子表面完成高精度微納加工，再把它‘卷’成纖維形態，形成多層旋疊架構。”論文共同一作、先進材料實驗室博士研究生王臻形容道。
經過近五年摸索、幾代學生接力攻關，團隊先后攻克了高分子表面平整化、耐溶劑侵蝕、形變下電路穩定等多個技術難題，最終成功制備出具有信息處理功能的“纖維芯片”。
這款“纖維芯片”不僅保持了纖維柔軟、可編織的本征特性，更實現了電阻、電容、二極管、晶體管等電子元件的高精度互連，光刻精度達到了實驗室級光刻機最高水平。這意味著，基于“纖維芯片”，未來可將發光、傳感等模塊直接集成在一根纖維上，形成無需外接設備的全閉環系統，甚至實現自供能。
在柔軟纖維里“蓋高樓”，實現晶體管高密度集成
“在彈性高分子上做高密度集成電路，好比在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓，還要讓高樓經得起拉伸扭曲。”回憶研發歷程，陳培寧道出了兩大核心挑戰。
首先是表面平整度。傳統硅基芯片的襯底粗糙度非常低，而常用彈性高分子的表面粗糙度一般在幾十納米，微觀上極度凹凸不平。團隊嘗試了多種方法，最終通過等離子刻蝕技術，成功將彈性高分子表面粗糙度降至1納米以下，“相當于把軟泥地打磨平整，為蓋樓打下了地基。”
其次是溶劑侵蝕和結構穩定。光刻過程中使用的多種極性溶劑會讓彈性高分子材料發生溶脹變形，導致前期制備的平整表面功虧一簣。經過多種嘗試，團隊最終鎖定了一類叫做聚對二甲苯的高分子材料，通過沉積工藝，它可以在彈性襯底表面形成致密膜層，形成“硬-軟異質結構”，不僅有效抵御溶劑侵蝕，還能減小電路層應變，確保結構穩定，如同給電路層穿上了“防護衣”。
“我們的制備方法可以與現有光刻工藝兼容，有望高效對接產業。”陳培寧介紹，團隊通過研制原型裝置，建立了標準化制備路線，初步實現“纖維芯片”的實驗室級規模化制備。制備出的“纖維芯片”可承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變，水洗、卡車碾壓后性能依然穩定。
通過晶體管與電容、電阻等電子元件高效互連，“纖維芯片”可實現數字、模擬電路運算等功能，集成有機電化學晶體管后，還可完成神經計算任務。
實驗推算顯示，按照目前實驗室級1微米的光刻加工精度，長度為1毫米的“纖維芯片”可集成數萬個晶體管，其信息處理能力可與一些醫療植入式芯片相當。若“纖維芯片”長度擴展至1米，其集成晶體管數量有望提升至百萬級別，達到與經典計算機中央處理器相當的集成水平。
這項技術突破融合了多學科智慧，得到了復旦大學集成電路與微納電子創新學院、生物醫學工程與技術創新學院、電鏡中心及附屬中山醫院等多個團隊的支持。
腦機接口、電子織物、虛擬現實，柔性“芯纖”未來可期
“一根頭發絲粗細的纖維，就能集成傳感、處理、刺激反饋等閉環功能，這在過去是個不小的挑戰。”陳培寧表示，這項研究成果有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等多個領域變革發展提供有力支撐。
在腦機接口領域，“纖維芯片”有望破解傳統設備瓶頸，為腦科學研究和腦神經疾病治療提供新的工具。目前，腦機接口的神經探針需連接外部信號處理模塊，基于“纖維芯片”，可在直徑低至50微米的超細纖維上，集成1024通道/厘米的高密度傳感—刺激電極陣列與信號預處理電路，其柔性與腦組織相當，生物相容性良好，采集的神經信號信噪比達7.5dB，與商用設備持平。“通過持續攻關，有望在一根纖維內實現更多更復雜的閉環功能。”陳培寧說。
在電子織物方面，“纖維芯片”能讓普通衣物變身“交互屏”。“過去的織物顯示只能實現簡單的圖案，要做動態視頻、觸控交互，沒有信息處理模塊是不行的。”論文共同一作、高分子科學系博士研究生陳珂介紹，借助“纖維芯片”的有源驅動電路，單根纖維可集成高密度像素點陣列。這意味著，人們今后或許無需掏出手機，袖口就能顯示導航；運動時，衣服可實時顯示生理健康數據、甚至播放視頻。
在虛擬現實領域，“纖維芯片”也能發揮重要作用。傳統觸覺交互手套依賴硬質傳感器和芯片，難以緊密貼合皮膚，在遠程手術等精細操作中存在局限。基于“纖維芯片”的智能觸覺手套兼具全柔性與透氣性，可集成高密度傳感與刺激陣列，更精準模擬不同物體的力學觸感。
“醫生戴著它做遠程手術，能清晰感知臟器硬度；游戲玩家佩戴時，能逼真觸摸虛擬道具，就像擁有了‘第二皮膚’。”王臻解釋道。目前，團隊正與附屬中山醫院科研團隊合作，探索將“纖維芯片“技術應用到心血管介入器械中，有望輔助醫生更精準地完成手術。
展望未來，團隊希望進一步加強跨學科協作與產業合作，通過材料與工藝的優化，提升芯片良率和集成度，推動“纖維芯片”在更多領域實現高質量應用。“長遠來看，我們希望有一天，基于‘纖維芯片’的電子織物，能像手機、電腦一樣進行高效的信息交互。”陳培寧說。
該研究得到國家自然科學基金委、科技部、上海市科委等項目支持。復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室、聚合物分子工程全國重點實驗室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。
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