我国科学家首创"纤维芯片"技术 突破柔性电子集成瓶颈登顶《自然》期刊

问题——纤维电子系统长期缺少“匹配的芯”。

近年来,纤维器件在发电、储能、显示、感知、生物检测等方面不断拓展,面向信息、能源、医疗等领域的应用想象空间持续扩大,并被多国纳入前沿布局。

然而,从单一功能纤维器件走向可规模应用的多功能纤维电子系统,核心瓶颈在于“算力与交互”短板:现有纤维系统往往仍需外接硬质块状芯片完成信息处理与控制。

硬芯片与柔软纤维在形态、力学与可靠性方面存在根本矛盾,导致可穿戴、可植入、可编织场景中难以实现长期稳定与舒适兼顾,成为制约产业化落地的关键障碍。

原因——传统路径受制于材料与工艺的三重约束。

一方面,集成电路制造对衬底平整度与可加工性要求极高,而常见弹性高分子在微观尺度粗糙起伏明显,难以满足高分辨率图形转移需求;另一方面,光刻流程中涉及多种溶剂体系,弹性材料易发生溶胀、形变或界面失稳,影响器件一致性与良率;更重要的是,纤维在拉伸、弯折、扭转等复杂形变中易出现局部应变集中,半导体、金属互连等功能层可能产生脆裂与性能衰减。

上述因素叠加,使“把大规模集成电路真正做进纤维里”长期停留在概念与低集成度验证阶段。

影响——从“片上”到“线内”,重塑柔性集成电路形态。

此次复旦团队突破传统硅基集成电路研究范式,提出多层旋叠架构,在柔软高分子纤维内部构建螺旋式多层电路,使一根纤维可集成十万个甚至更多晶体管,推动集成电路从块状、片状向一维线状延展。

更值得关注的是,该“纤维芯片”在复杂形变与外界环境冲击下表现出较强可靠性:可耐受小半径弯曲、一定比例拉伸及持续扭转,并在水洗、高低温以及外力碾压等极端条件测试后保持性能稳定。

这意味着其有望更贴近真实应用环境,从实验室演示迈向可穿戴、可织物化、可植入等场景的工程化要求。

对策——以“内部空间利用+工艺兼容”破解集成难题。

团队跳出以往“只在纤维表面做器件”的惯性思路,转而最大化利用纤维内部空间,通过多层旋叠结构实现高密度集成,并形成在弹性高分子上直接进行光刻制备的系统路线。

报道信息显示,该制备方法与现有芯片产业成熟光刻制造思路具有兼容性,团队还通过原型装置与标准化流程设计,初步实现实验室级规模化制备。

这一“可制造性”信号尤为关键:新概念器件能否与现有制造体系衔接,往往决定其从论文走向产业的速度与成本曲线,也为后续放大制程窗口、提升一致性与可靠性留下空间。

前景——面向脑机接口、电子织物等应用,仍需跨越工程与标准化关口。

研究团队预测,在现阶段微米级光刻条件下,毫米级纤维芯片可实现数万晶体管集成,信息处理能力可对标部分医疗植入芯片;若长度拓展至米级,集成规模有望达到百万量级,并在更高精度工艺下进一步提升。

结合其柔性与耐受性优势,纤维芯片未来可能为脑机接口信号采集与处理、电子织物的分布式计算与通信、虚拟现实的人机交互与体感反馈等提供新的硬件载体。

但也应看到,从“能做出来”到“能用起来”,还需在长周期生物相容与安全性验证、批量制造良率、封装与互连体系、纤维系统级架构设计、测试评价标准以及产业链协同等方面持续攻关。

随着相关基础研究与工程体系完善,纤维电子有望从单点功能升级为可编织的智能系统,进而形成新的终端形态与产业增长点。

纤维芯片的成功研制标志着集成电路设计理念的重要转变,从二维平面向一维线性、从刚性向柔性的转变,反映了我国科研工作者在突破传统产业范式上的勇气和能力。

这一成果不仅填补了国际空白,更为柔性电子、可穿戴设备、生物医学工程等战略性新兴产业的发展提供了新的技术基础。

随着进一步的研究完善和工程化推进,纤维芯片有望在未来十年内实现产业化突破,为人类社会的信息化、智能化进程注入新的活力,也充分展现了基础研究对产业创新的深刻推动作用。