“纤维芯片”横空出世！上海科研团队将芯片集成于高分子纤维之中
聚合物分子工程全国重点实验室，以及复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室的彭慧胜、陈培宁团队，在国际上率先成功研制出“纤维芯片”。该芯片的信息处理能力可与部分经典商业芯片相媲美，同时具备高度柔软、能够适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势，有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等未来产业提供关键技术支撑。北京时间1月22日零时，这项突破传统硅基芯片范式的原创性成果，正式发表在国际权威学术期刊《自然》上。
柔性时代催生“纤维芯片”需求
纤维，是推动人类文明不断进步的关键材料。5000年前，蚕丝编织开启了织物文明的篇章；19世纪，金属纤维的出现催生了电气革命；20世纪60年代，石英纤维的应用开辟了光纤通信的新时代。
近几十年间，纤维器件更是凭借发电、储能、显示等功能，深刻改变了人们的生活方式。然而长期以来，纤维系统只能通过外接硬质芯片来实现信息处理，这不仅导致电路连接复杂且不稳定，还大大降低了穿戴的舒适性。
“人体属于软组织，未来的脑机接口等新兴领域需要适配柔软的电子系统。”彭慧胜如此表示。顺着这一方向，研究团队跳出传统芯片的硅基研究范式，提出了一个全新设想：能否把芯片“装”进柔软纤细的纤维里？
这个看似“天马行空”的想法，实则源于团队长期深耕该领域的底气。此前，研究团队突破了电子器件传统的“三明治”结构范式，在国际上率先提出“纤维器件”的新概念，至今已成功创建30多种纤维器件，相关成果7次登上《自然》期刊，部分技术已转让给国内头部企业，并率先建成发光纤维、纤维锂离子电池等生产线，初步实现在汽车、服装等领域的应用。
但要实现纤维器件更大规模的应用，就必须攻克“芯片”这一核心难题。
堪比在头发丝上“雕花”的研发难度
将芯片制作到纤维内部，其难度堪比在头发丝上“雕花”。
第一个难关是空间限制。纤维属于曲面结构，每厘米的表面积仅为0.01 - 0.1平方厘米，要在如此狭小的空间内集成大量电子元件几乎是不可能的。团队另辟蹊径，不再局限于纤维表面，而是向纤维内部空间挖掘潜力，构建螺旋式多层电路，以最大化利用纤维内部空间。按照实验室1微米的光刻精度推算，1毫米长的纤维目前可集成1万个晶体管，这与一些商业医用植入芯片的集成量相当；而1米长纤维的晶体管集成量，甚至可达到经典计算机中央处理器的水平。
第二个难关是光刻适配问题。传统芯片依赖硅晶圆平整的表面，而构成纤维基底的弹性高分子材料表面就像“崎岖山地”，无法直接进行光刻。团队采用等离子刻蚀技术，将其表面粗糙度降至1纳米以下，达到了商业光刻的要求，打破了“芯片只能刻在硅片上”的传统认知。
第三个难关是稳定性挑战。弹性高分子材料难以承受光刻过程中溶剂的侵蚀，电路层也无法抵御纤维弯曲、拉伸时产生的应变。于是，团队在衬底上镀了一层致密的聚合物膜，就像给电路穿上了“坚硬盔甲”，确保纤维芯片在复杂变形下仍能稳定工作。
经过5年的集中攻关，再加上此前数年的探索积累，团队最终实现了每厘米10万个晶体管的集成密度。更关键的是，其制备工艺与现有成熟的光刻工艺能够有效兼容，为规模化制造奠定了基础。
“量身定制”的独特优势
欧盟战略报告预估，智能纤维和织物领域未来的全球市场规模将达到万亿欧元级别。“我们并非要取代硅基芯片，而是希望尝试一条新的技术路径。”陈培宁这样说道。
与传统芯片相比，纤维芯片的优势可谓是“量身定制”。
它具有极佳的柔性，能够弯曲、拉伸、扭曲，甚至经得住十几吨卡车的碾压，按照工业标准水洗数十次后性能依然稳定，在100℃的高温下也能正常工作。
它能够实现“一根纤维就是一个微型电子系统”，在单根纤维上就可以集成供电、传感、显示、信号处理等多种功能，例如无需外接模块就能完成触控显示。
一根纤维即可构成一个微型电子系统
在脑机接口等关键领域，纤维芯片展现出了更为独特的价值。目前的脑机接口技术中，神经电极普遍需要连接硬质的外部信号处理模块。而纤维芯片凭借与脑组织相当的柔软特性，通过构建“检测 - 处理 - 反馈”的闭环功能，有望实现更高效的信号检测和实时干预，为脑科学研究和脑神经疾病的诊断治疗提供全新工具。
此外，无需外接处理器，基于纤维芯片就能编织出柔软、透气的电子织物。未来，衣服或许能变身“智能显示屏”，实现动态像素显示；在远程医疗机器人手术等场景中，纤维芯片还可制成智能触觉手套，精准模拟不同物体的力学触感，从而提升人机交互体验。
纤维芯片可制作成智能触觉手套
交叉学科培养复合型创新人才
论文共同第一作者、博士研究生王臻，原本是高分子材料专业出身，刚接触这一课题时对集成电路几乎一无所知，“但空白也意味着没有框架限制，我们可以大胆地去想象。”
另一位第一作者陈珂，最初只是想着尽快毕业，却在拆解难题的过程中发现了前所未有的乐趣。
值得一提的是，复旦大学的交叉学科环境和浓厚氛围，让学生能够跳出单一专业的框架。2023年，复旦大学成立了纤维电子材料与器件研究院，有效整合了化学、材料、信息、医学等多学科力量，搭建起“化学合成—器件构建—微纳集成—中试验证”的全链条研究平台。在这里，不同专业的师生可以充分互动交流，不经意间或许就能碰撞出创新的火花。
作者：黄海华
编辑：朱文莹
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原标题：《“纤维芯片”来了！上海科学家团队把芯片“织”入高分子纤维内》
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