复旦团队研发“纤维芯片”：能像纱线般织入布料

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。

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“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。

“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。

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。

脑机接口应用示意图和实物图

目前商业脑机接口电极普遍需要外接处理设备。基于“纤维芯片”，可制成比头发丝更细的柔性电子系统，将其植入脑部后，既能检测神经信号，又能实时处理，甚至有望实现“感知-处理-刺激”闭环。“未来或许能更精准监测脑内化学和电信号，为帕金森、癫痫等脑部疾病治疗提供新工具。” 论文第一作者王臻表示。

“我们希望，未来的衣服可以成为你的手机或电脑。”陈培宁展示了团队目前正在开展的研究工作，将“纤维芯片”与其他功能纤维器件集成，得到“智能衣服”，可实现动态显示与交互。这样的“智能衣服”穿着体验与普通衣物无异，却具备信息处理与通信能力。

现有VR触觉手套多依赖外接硬质模块，笨重且不精确。基于“纤维芯片”的触觉手套轻薄如普通手套，却能集成大量传感单元，精准模拟不同物体的触感，在远程手术、虚拟训练等领域潜力巨大。

“纤维芯片”仍处于实验室阶段，推动落地应用

“我们不是要替代现有硅基芯片，而是希望能为这个领域提供一点新思路。”彭慧胜表示。目前芯片产业正加大投入研发“纳米级”制程技术，“纤维芯片”从材料、结构到应用场景与传统芯片都有所不同，有可能为我国芯片产业发展催生一个新赛道。

团队表示，“纤维芯片”目前仍处于实验室阶段，还有很多工作要做，未来将通过多学科交叉融合创新，进一步提升集成度与性能，并推动落地应用。

“纤维芯片”编织进织物

这项工作背后，是团队近十年的坚持。彭慧胜表示，最初只是觉得“把硬芯片做软挺好玩的”，但真正做起来“太难了”。这项工作的完成，离不开团队成员的通力协作和努力坚持。“热爱和好奇心是支撑我们克服困难的原动力。” 博士生王臻说。

这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和生物应用等，需要化学、信息、电子、医学等不同学科研究手段。团队所依托的纤维电子材料与器件研究院，近年来已经形成了一支多学科交叉研究队伍，建立了涵盖化学合成、器件构建、光刻微纳加工和中试概念验证的全链条研究平台，对这项工作提供了有力支撑。此外，得益于复旦大学多学科优势，该工作还得到了来自校内聚合物分子工程全国重点实验室、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、电镜中心和中山医院等团队的通力协作。

从纤维电池到纤维显示，再到今天的“纤维芯片”，复旦大学团队一步步将“智能织物”从概念推向现实。这项登顶《自然》的成果，不仅是一项技术突破，更展示了一个即将到来的全新人机交互场景。

澎湃新闻记者 韩晓蓉