复旦研发出“纤维芯片” 像普通纱线一样织进布料

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。

“纤维芯片”编织进织物。 本文图片均为 复旦大学 供图

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。



成卷“纤维芯片”

“芯片”不再硬邦邦，团队在头发丝般的纤维里“盖高楼”

过去几十年，芯片一直是电子设备的心脏，但它的形态普遍是硬质块状的，必须安装在电路板上，与人体柔软的组织、可弯曲的衣物格格不入。复旦大学团队长期深耕“纤维电子材料与器件”领域，曾率先研制出纤维电池、织物显示器等，让衣物也能储能、发光。然而，要让纤维器件真正“智能”起来，信息处理功能必不可少，而传统硬质芯片无法与柔软纤维系统兼容。

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“纤维系统如果外接硬质芯片，就像给衣服缝上一块硬板，既不舒服也不稳定。”论文通讯作者陈培宁教授表示。为此，他们决定挑战这个领域公认的“硬骨头”和“无人区”难题：是否在纤维内部直接造出“芯片”？

在纤维里造“芯片”，难度极大。纤维表面是曲面，且面积有限，如何集成足够多的晶体管？团队跳出传统思维，提出“多层旋叠架构”：在纤维内部像卷地毯一样，层层叠叠构建电路，最大限度利用内部空间。



多层电路内部结构图

技术上更是难关重重。传统芯片在平整的硅片上光刻，而纤维表面在微观层面“坑坑洼洼”，像在软泥地上盖高楼。团队探索发现，通过等离子刻蚀技术，可以将纤维表面粗糙度降至1纳米以下，有效满足光刻要求；又在纤维表面沉积一层叫做“聚对二甲苯”的保护膜，可以抵御光刻流程中的溶剂腐蚀，并在纤维弯曲时保护电路不被破坏。

“我们发展的制备方法，可以与现在成熟的光刻工艺有效兼容，具有规模化制备的潜力。” 陈培宁说。经过5年攻关、前后十余年积累，团队终于成功在弹性高分子纤维中集成高密度晶体管，每厘米纤维可集成10万个晶体管，信息处理能力已与一些商用植入式医疗芯片相当。
 

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打结、水洗、卡车碾压后保持性能稳定，应用前景广阔

与传统芯片相比，“纤维芯片”不仅功能强大，更拥有独特的“柔软特质”，就像衣服里的普通纤维一样。实验显示，它可以被弯曲到1毫米的曲率半径，甚至拉伸、打结也不影响性能；经过水洗、高低温考验，甚至被十几吨重的卡车碾压后，依然稳定工作。



“纤维芯片”打结图



卡车碾压稳定测试

这意味着，“纤维芯片”可以像普通纱线一样编织进布料，制成真正“全柔性”的电子织物。团队已在一根纤维上同时集成供电、传感、显示与信息处理功能，实现触摸发光、图案显示等交互效果，且无需外接硬质芯片或电池。



纤维发光图

复旦科研团队的这一成果为纤维电子系统集成提供全新路径，在脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴领域展现独特应用前景。