在一根比头发丝还细的纤维里构建起高密度集成电路？这一大胆设想如今成为现实。
聚合物分子工程全国重点实验室，复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室彭慧胜、陈培宁团队，在国际上率先研制出“纤维芯片”，其信息处理能力与一些经典商业芯片相当，且具有高度柔软、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成果，发表于国际权威学术期刊《自然》。
柔性时代呼唤“纤维芯片”
纤维，是推动人类文明进步的关键材料。5000年前，蚕丝编织开启织物文明；19世纪，金属纤维催生电气革命；20世纪60年代，石英纤维开辟光纤通信时代。
最近几十年，纤维器件更是以发电、储能、显示等功能深刻改变人们的生活方式。但长期以来，纤维系统只能通过外接硬质芯片实现信息处理，不仅电路连接复杂不稳定，而且穿戴舒适性差。
“人体是软组织，未来的脑机接口等新兴领域需要适配柔软的电子系统。”彭慧胜表示。沿着这个方向，研究团队跳出传统芯片硅基研究范式，提出设想：能不能把芯片“装”进柔软纤细的纤维里？
看似“天马行空”的想法，源自长期深耕的底气。此前，研究团队突破电子器件传统“三明治”结构范式，在国际上率先提出“纤维器件”新概念，至今已创建30多种纤维器件，相关成果7次登上《自然》，部分技术转让给国内头部企业，率先建成发光纤维、纤维锂离子电池等产线，初步实现在汽车、服装等领域的应用。
但要实现纤维器件的更大规模化应用，必须攻克“芯片”这个核心难题。
如同在头发丝里“雕花”
把芯片做进纤维里，难度如同在头发丝里“雕花”。
第一个难关，是空间限制。纤维是曲面结构，且每厘米的表面积仅0.01-0.1平方厘米，要集成大量电子元件几乎不可能。团队另辟蹊径，不局限于纤维表面，而是向内部空间要潜力，构建螺旋式多层电路，最大化利用纤维内部空间——按实验室1微米光刻精度推算，1毫米长的纤维目前可集成1万个晶体管，与一些商业医用植入芯片相当；1米长纤维的晶体管集成量，可达到经典计算机中央处理器水平。
第二个难关，是光刻适配。传统芯片依赖硅晶圆的平整表面，而构成纤维基底的弹性高分子材料表面像“崎岖山地”，无法直接光刻。团队用等离子刻蚀技术将其表面粗糙度降至1纳米以下，达到商业光刻要求，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。弹性高分子不耐光刻过程中溶剂侵蚀，电路层也扛不住纤维弯曲、拉伸的应变。于是，团队在衬底上镀了一层致密聚合物膜——像给电路穿上了“坚硬盔甲”，让纤维芯片在复杂变形下仍能稳定工作。
历时5年集中攻关，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光刻工艺有效兼容，为规模化制造打下基础。
“量身定制”的优势
欧盟战略报告预估，智能纤维和织物领域未来全球市场规模将达万亿欧元级别。“我们不是要取代硅基芯片，而是希望能尝试一个新的路径。”陈培宁表示。
与传统芯片相比，纤维芯片的优势堪称“量身定制”。
它柔性极佳，能弯曲、拉伸、扭曲，甚至经得住十几吨卡车碾压，按工业标准水洗数十次后性能依然稳定，在100℃高温下也能正常工作。
它能实现“一根纤维就是一个微型电子系统”，在单根纤维上就可集成供电、传感、显示、信号处理等功能，比如无需外接模块就能完成触控显示。
一根纤维就是一个微型电子系统
在脑机接口等关键领域，纤维芯片更展现出独特价值。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诊断治疗提供新工具。
此外，无需外接处理器，基于纤维芯片就能编织柔软、透气的电子织物，未来衣服可能变身“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，提升人机交互体验。
纤维芯片可制成智能触觉手套
交叉学科育出复合型人才
论文共同第一作者、博士研究生王臻，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，我们可以大胆想象。”
另一位第一作者陈珂，最初想着要赶紧毕业，却在拆解难题过程中发现了之前从未有过的乐趣。
值得一提的是，复旦大学的交叉学科土壤和浓厚氛围，让学生跳出单一专业的框架。2024年复旦成立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”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，不经意间也许就擦出创新火花。
来源：解放日报 上观新闻
作者：黄海华
编辑：朱文莹
上观号作者：上海科技
