2026年1月22日，國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表了一項(xiàng)來(lái)自中國(guó)復(fù)旦大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的突破性研究成果：世界首款“纖維芯片”。 這項(xiàng)技術(shù)成功在柔軟的高分子纖維內(nèi)制造出大規(guī)模集成電路，芯片從此不再是硬邦邦的方塊，而是變得像絲線一樣纖細(xì)柔軟。
復(fù)旦大學(xué)彭慧勝、陳培寧領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)五年的攻關(guān)，跳出了傳統(tǒng)硅基芯片的研究范式。 他們提出了一種名為“多層旋疊架構(gòu)”的全新設(shè)計(jì)思想。 這項(xiàng)設(shè)計(jì)的核心靈感，被研究人員比喻為“卷壽司”，即將精密的電路螺旋式地嵌入纖維內(nèi)部，從而最大化地利用有限的空間。
在比頭發(fā)絲還細(xì)的纖維上造芯片，挑戰(zhàn)巨大。 纖維固有的曲面結(jié)構(gòu)和極小的表面積是第一道難關(guān)，每厘米長(zhǎng)度的纖維表面積僅為0.01至0.1平方厘米。 傳統(tǒng)的平面光刻技術(shù)幾乎無(wú)法直接應(yīng)用。 面對(duì)這些難題，團(tuán)隊(duì)沒(méi)有走老路，而是自主開(kāi)發(fā)了一套創(chuàng)新的制備工藝。
研究人員首先采用等離子刻蝕技術(shù)，對(duì)彈性高分子表面進(jìn)行超精密平整化處理，將其粗糙度降至1納米以下，滿足了商業(yè)光刻的嚴(yán)格要求。 接著，他們又在彈性襯底上設(shè)計(jì)了一層致密的聚對(duì)二甲苯納米膜層。
這層薄膜如同給電路披上了一件“柔性鎧甲”，既能有效抵御光刻過(guò)程中各種化學(xué)溶劑的侵蝕，又能與基底形成“硬-軟模量異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，顯著緩沖纖維在彎曲、拉伸時(shí)電路層承受的應(yīng)變，確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和功能的可靠。
最終誕生的“纖維芯片”展現(xiàn)出令人驚嘆的性能。 其電子元件集成密度達(dá)到每厘米10萬(wàn)個(gè)晶體管。 通過(guò)這些晶體管與電阻、電容等元件的高效互連，纖維芯片能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字、模擬電路運(yùn)算等復(fù)雜功能。
更引人注目的是其卓越的機(jī)械性能。 這款芯片可以承受半徑小至1毫米的彎曲、30%的拉伸形變以及每厘米180度的扭轉(zhuǎn)。 實(shí)驗(yàn)表明，即使經(jīng)過(guò)反復(fù)水洗、暴露于100攝氏度高溫環(huán)境，甚至被十幾噸重的卡車碾壓過(guò)后，纖維芯片依然能保持性能穩(wěn)定，正常工作。
團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的制備方法與現(xiàn)有芯片產(chǎn)業(yè)中成熟的光刻制造工藝有效兼容，他們已經(jīng)通過(guò)研制原型裝置和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化流程，初步實(shí)現(xiàn)了纖維芯片的規(guī)模制備，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。
這意味著，一個(gè)像普通纖維一樣的系統(tǒng)，無(wú)需連接任何外部控制或供能模塊，就能自主運(yùn)行，形成了一個(gè)真正的微型電子系統(tǒng)。
在腦機(jī)接口領(lǐng)域，纖維芯片技術(shù)有望帶來(lái)革命性變化。 傳統(tǒng)腦機(jī)接口的電極通常需要連接硬質(zhì)的外部信號(hào)處理模塊，這在植入和使用中帶來(lái)諸多不便和風(fēng)險(xiǎn)。 而現(xiàn)在，利用纖維芯片，研究人員有望在一根直徑僅50微米的超細(xì)纖維內(nèi)，集成“傳感-信號(hào)處理-刺激輸出”的閉環(huán)功能系統(tǒng)。 這種系統(tǒng)具有與腦組織相當(dāng)?shù)娜嵝院土己玫纳锵嗳菪?，采集的神?jīng)信號(hào)信噪比可與商用外部設(shè)備相媲美，為腦科學(xué)研究和腦神經(jīng)疾病診斷治療提供了全新工具。
電子織物被視為可穿戴設(shè)備的終極發(fā)展形態(tài)，其核心挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)全柔性、無(wú)硬質(zhì)模塊的系統(tǒng)。 纖維芯片的出現(xiàn)解決了這一難題。 無(wú)需外接處理器，直接利用纖維芯片就能編織出柔軟、透氣的全柔性電子織物系統(tǒng)。 例如，借助纖維芯片內(nèi)置的有源驅(qū)動(dòng)電路，可以在織物中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)像素顯示。 未來(lái)，人們穿著的衣服或許就能直接實(shí)現(xiàn)電腦和手機(jī)的交互功能。
在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，纖維芯片也展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。 目前的觸覺(jué)接口設(shè)備高度依賴塊狀硬質(zhì)信號(hào)處理模塊，導(dǎo)致與皮膚柔性表面貼合度不足，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)細(xì)致的信號(hào)采集與輸出，尤其在遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)等精細(xì)操作場(chǎng)景中局限性明顯。
基于纖維芯片構(gòu)建的智能觸覺(jué)手套，兼具高柔性與透氣性，與普通織物幾乎沒(méi)有區(qū)別。 它可以集成高密度傳感與刺激陣列，精準(zhǔn)模擬不同物體的力學(xué)觸感，適用于遠(yuǎn)程手術(shù)中的組織硬度感知、虛擬現(xiàn)實(shí)中的道具交互等場(chǎng)景，有望極大提升用戶的沉浸感和操作真實(shí)感。
這項(xiàng)重大成果的背后，是復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團(tuán)隊(duì)在纖維器件領(lǐng)域長(zhǎng)達(dá)十余年的持續(xù)深耕。 自2008年成功研制“纖維變色器件”以來(lái)，該團(tuán)隊(duì)已創(chuàng)建出30多種具有發(fā)電、儲(chǔ)能、發(fā)光、顯示、生物傳感等功能的新型纖維器件。 其中，發(fā)光纖維器件、纖維鋰離子電池、顯示織物等三項(xiàng)研究成果及相關(guān)技術(shù)已初步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。
在持續(xù)研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)意識(shí)到，與智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的發(fā)展路徑相似，纖維器件要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，必須將不同功能的器件集成在一起，形成系統(tǒng)，并賦予其信息交互能力，而芯片是其中的核心。 2015年，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始布局相關(guān)研究。 2020年，隨著博士后施翔，博士研究生王臻、陳珂等新鮮血液的加入，一支專注于攻克難題的團(tuán)隊(duì)集結(jié)起來(lái)，開(kāi)啟了長(zhǎng)達(dá)五年的集中攻關(guān)。
研發(fā)過(guò)程充滿挑戰(zhàn)。 團(tuán)隊(duì)成員陳珂回憶道：“我剛接觸課題時(shí)，對(duì)集成電路或芯片沒(méi)什么概念，幾乎是一片空白。 ”但這種“空白”也可能成為一種優(yōu)勢(shì)，使得團(tuán)隊(duì)不受集成電路領(lǐng)域一些根深蒂固想法的影響，敢于“打開(kāi)腦洞”，嘗試以往沒(méi)人用過(guò)的方法。 他們一次次試錯(cuò)，通過(guò)頭腦風(fēng)暴不斷突破“卡點(diǎn)”，最終發(fā)展出了在柔軟纖維里構(gòu)建高密度集成電路的完整方法。
目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用方面建立了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系。 他們表示期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作，推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量應(yīng)用。
