中国科学家首创新技术：纤维芯片解析及其对芯片产业的变革
如何在纤维上实现高效信息处理功能，但又不影响纤维器件柔软、适应复杂形变、可编织等本征特性，复旦大学团队的最新成果为纤维器件实现规模应用提供可能。
1月22日凌晨，复旦大学彭慧胜/陈培宁团队的研究成果在《自然》主刊发布，该成果突破传统芯片集成电路硅基研究范式，率先通过设计多层旋叠架构，在弹性高分子纤维内实现了大规模集成电路（简称“纤维芯片”）。
柔软的“纤维芯片”在手指上打结。受访团队供图
“纤维芯片”信息处理能力与一些经典的商业芯片相当，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、虚拟现实等新兴产业变革发展提供有力支撑。
“我们并不是要取代现有的芯片，而是希望面向一些新兴领域应用场景，提供一个可能的新路径。”复旦大学纤维电子材料与器件研究院/高分子科学系教授、论文通讯作者陈培宁对第一财经记者说道，他们的纤维芯片有望能做一些传统芯片过去不太容易做到的事情。
陈培宁介绍，连接传统硬质芯片电路的纤维系统，穿戴起来舒适性较差，整个电路连接也不稳定，所以团队就想把信息处理模块也做成纤维形态。从2020年起，他们在研发织物显示器件的同时，同步启动“纤维芯片”的攻关。
应用场景有哪些
具有信息处理功能的芯片，是实现纤维电子系统和信息交互功能的核心部件，但过去纤维电子系统的集成范式，普遍依赖连接硬质块状的芯片电路，这种范式通常会导致系统内电路连接复杂且不稳定，且与纤维柔性、透气性、轻量化、穿戴舒适性等应用要求存在根本矛盾，极大限制了纤维器件领域发展。
成卷“纤维芯片”和局部细节。受访团队供图
“纤维芯片”则有望摆脱过去纤维系统对外部信息处理设备的依赖，在多个领域展现出独特应用前景，
例如在脑机接口领域，传统脑机接口的电极普遍需要连接硬质的外部信号处理模块。基于“纤维芯片”技术，有望在一根像头发丝细的纤维内，集成“传感-信号处理-刺激输出”闭环功能系统。
团队初步验证，在直径低至50微米的超细纤维上，可同时集成高密度传感-刺激电极阵列与信号预处理电路，具有与脑组织相当的柔性和良好生物安全性，其所采集的神经信号信噪比，与商用外部信号预处理设备相当。该纤维系统有望为脑科学和脑神经疾病诊断与治疗提供一个新工具。
在电子织物领域，电子织物被认为是可穿戴设备的终极发展形态，核心挑战在于，如何实现“全柔性”的织物系统。基于“纤维芯片”，有望无需外接处理器，可直接编织构建柔软、透气的全柔性电子织物系统。例如，借助“纤维芯片”内置的有源驱动电路，可在织物中实现动态像素显示。
在虚拟现实领域，目前触觉接口高度依赖块状硬质信号处理模块，导致与皮肤柔性表面贴合度不足，难以实现精准细致的信号采集与输出，在远程医疗机器人手术等精细操作场景中局限性尤为突出。基于“纤维芯片”所构建的智能触觉手套，兼具高柔性与透气性，与普通织物无异。
还要提升性能
相比于传统芯片，“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、30%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，仍能正常工作。
陈培宁说，“纤维芯片”涉及多个学科，比如材料制备涉及化学，设计电路涉及信息、电子，“这也是为什么说做起来难度很大。”
他告诉记者，这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和医学应用等，需要化学、信息、电子、医学等不同学科研究手段。而他们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。此外，该工作还得到了来自校内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协作。
复旦大学纤维电子材料与器件研究院/高分子科学系博士生、论文第一作者陈珂也谈到了集成电路“小白”的好处。“我开始完全不懂什么是集成电路、芯片，空白带来的好处就是我们很敢去想，很敢去做之前没有做过的事情。比如传统芯片虽然是硬的，我们可能说能不能把它做软，用到一些传统芯片没有办法用到的地方。”
研究团队介绍，未来围绕“纤维芯片”研究，仍然还有很多工作要做，他们期望继续与来自不同学科的学者一起协同攻关，通过合成制备先进半导体材料，进一步提升器件集成密度，提升信息处理性能，满足更复杂应用场景需求。在规模化制备和应用方面，团队已建立了自主知识产权体系，期待与产业界加强合作。
复旦大学纤维电子材料与器件研究院/智能材料与未来能源创新学院博士生、论文第一作者王臻告诉记者，“纤维芯片”可以适配一些独特的应用场景，比如人体表面柔软的皮肤等。“未来也希望能和二维材料合作，这样它才能既获得比较好的柔性，又有非常好的形态并具备复杂功能，满足真正意义上的交互需求和植入应用。”
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