全球首款“纤维芯片”问世！复旦大学研究成果登《自然》主刊

1月22日凌晨，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）主刊发表了一项来自中国复旦大学的重大科研突破——彭慧胜/陈培宁团队成功在柔软的高分子纤维内制造出大规模集成电路，研发出全球首款“纤维芯片”。

这一成果标志着芯片技术首次从“硬质块体”迈向“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全新的技术支撑。

成卷的“纤维芯片”。复旦大学供图，下同

纤维芯片的诞生

传统芯片的制造主要依赖于平整稳定的硅片，通过光刻工艺构建高密度集成电路，是硬质、片状的。

然而，复旦大学彭慧胜/陈培宁团队却另辟蹊径，提出了一种全新的“多层旋叠架构”设计思路。这一设计灵感来源于“卷寿司”，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。

“纤维芯片”概念图

据研究团队介绍，纤维不仅具有曲面结构，表面积极小，而且用于制备纤维器件的弹性高分子基底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。面对这些挑战，团队通过近五年的攻关，成功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，最终实现了每厘米10万个晶体管的集成密度。

纤维芯片的优势

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。其光刻精度达到了实验室级光刻机的最高水平，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。

柔软的“纤维芯片”甚至可以打结

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。

“纤维芯片”显示多层旋叠架构的三维重构荧光标记照片

“纤维芯片”及其内部局部电路光学照片

此外，“纤维芯片”还具有优异的柔性，可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变，如承受1毫米半径弯曲、20%拉伸形变、180°/厘米扭转等变形，甚至在经过水洗、高低温、卡车碾压后，仍能保持性能稳定。

或成新兴产业的变革者

“纤维芯片”的问世，为多个新兴产业带来了变革性的发展机遇。

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。目前，脑机接口的神经探针需连接外部信号处理模块，而基于“纤维芯片”，可在直径低至50微米的超细纤维上，集成高密度传感-刺激电极阵列与信号预处理电路，其柔性与脑组织相当，生物相容性良好。

在脑机接口领域的应用示意图和纤维系统实物光学照片

在电子织物方面，纤维芯片能让普通衣物变身“交互屏”。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点阵列，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。

在单根纤维上实现多功能一体化集成的示意图和实物照片

在单根纤维上实现触控显示的信息交互功能

在虚拟现实领域，纤维芯片同样大有可为。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。而基于“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，提升人机交互体验。

“纤维芯片”虚拟现实领域应用示意图和实物图

产业化之路

复旦大学纤维电子材料与器件研究院的陈培宁教授表示，纤维芯片的制备方法可与目前芯片产业中成熟的光刻制造工艺有效兼容，这为其从实验室走向规模化制备和应用奠定了坚实基础。目前，团队已通过研制原型装置、设计标准化制备流程，初步实现了“纤维芯片”的实验室级规模化制备。

团队合影

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。陈培宁教授表示：“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。”