复旦大学团队全球首创“纤维芯片”

1月22日，国际顶级学术期刊《自然》（Nature）发表了一项颠覆性成果——复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室及聚合物分子工程全国重点实验室的彭慧胜教授与陈培宁研究员团队，成功突破传统芯片硅基研究范式，首次提出并制备出“纤维芯片”，在直径仅为人类头发丝十分之一的弹性高分子纤维内实现大规模集成电路，将供电、传感、显示、信号处理等核心功能高度集成于单根纤维，为柔性电子系统开辟了全新路径。

传统芯片依赖硬质硅基材料，而纤维电子器件虽具备柔软、透气、可编织等特性，却长期受制于“无脑”困境——不同功能纤维需通过外接硬质电路板实现系统集成，导致穿戴舒适性差、体内植入存在安全风险。彭慧胜团队早在2010年代便布局纤维器件研究，从纤维太阳能电池、锂电池起步，逐步开发出发光、显示、生物传感等30余种功能纤维，7次登上《自然》主刊。然而，团队意识到，要实现纤维系统的真正智能化，必须攻克“纤维芯片”这一核心难题。


“纤维芯片”概念图

“在弹性高分子上构建高密度集成电路，如同在坑洼的软泥地上盖摩天大楼。”陈培宁研究员用生动的比喻揭示技术挑战。纤维的曲面结构与微小表面积（每厘米纤维表面积仅0.01-0.1平方厘米）导致电子元件集成密度极低，而光刻工艺所需的极性溶剂更会直接溶解弹性基底。研究一度陷入僵局，直至团队突破性提出“多层旋叠架构”：通过等离子刻蚀技术将弹性高分子表面粗糙度降至1纳米以下，再沉积聚对二甲苯纳米膜层形成“硬-软异质结构”，既抵御溶剂侵蚀，又减小形变应力，最终通过“卷寿司”工艺将平面电路螺旋叠层为纤维形态。

实验数据显示，采用1微米光刻精度的“纤维芯片”在1毫米长度内可集成数万个晶体管，其信息处理能力与心脏起搏器芯片相当；若扩展至1米长度，晶体管数量可达百万级，接近经典计算机CPU的集成水平。更关键的是，该芯片可承受1毫米半径弯曲、30%拉伸形变及180°/厘米扭转，甚至经卡车碾压、水洗后仍保持性能稳定。

“我们实现了电阻、电容、二极管、晶体管等元件的高精度互连，光刻精度达到实验室级光刻机最高水平。”论文共同第一作者、先进材料实验室博士王臻介绍，团队已构建出异或门、锁存器等基础逻辑电路，并演示了电脉冲调制功能。通过集成有机电化学晶体管，芯片甚至可完成神经信号运算任务。

这项突破为多个领域带来变革性可能。在脑机接口领域，传统神经探针需外接信号处理模块，而基于“纤维芯片”的50微米超细纤维可集成1024通道/厘米的高密度电极阵列与预处理电路，其柔性与脑组织匹配，生物相容性优异，神经信号信噪比达7.5dB，为脑疾病治疗与脑科学研究提供新工具。

电子织物领域，单根“纤维芯片”可驱动高密度像素点阵列，使衣物直接显示动态视频、触控交互。研究团队演示了袖口导航、运动实时健康监测等场景，未来甚至可能实现衣物自播放视频。虚拟现实领域，基于“纤维芯片”的智能触觉手套集成高密度传感与刺激阵列，医生远程手术时可精准感知脏器硬度，游戏玩家则能逼真触摸虚拟道具，如同拥有“第二皮肤”。

“我们的制备方法与现有光刻工艺完全兼容，可高效对接产业。”彭慧胜教授强调，团队已研制原型装置并建立标准化流程，初步实现实验室级规模化制备。这项融合材料科学、微纳电子、生物医学的多学科成果，得到复旦大学集成电路学院、生物医学工程学院及附属中山医院等团队支持，未来将通过合成先进半导体材料进一步提升集成密度与性能。

《自然》期刊审稿人评价：“这项研究重新定义了柔性电子的边界，为可穿戴设备、生物电子、智能织物等领域提供了前所未有的集成方案。”随着“纤维芯片”从实验室走向产业，人类或许将迎来一个“衣联网”时代——衣服不仅是遮体之物，更是集通信、计算、健康监测于一体的智能终端。