过去几十年，纤维器件相继被赋予发电、储能、显示、感知等功能，它们可以被编织成柔软、透气的智能终端，有望实现“以人为中心”的全新人机交互范式，推动信息、能源、医疗等重要领域革命性发展，甚至催生电子织物等新产业，深刻改变人们生活方式。像手机、电脑等任何电子设备一样，具有信息处理功能的芯片，是纤维器件走向纤维系统，并实现信息交互功能的核心部件。但长期以来，纤维系统一直依赖连接硬质块状芯片，这与其柔软、可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾，成为整个领域面临的一个重要挑战。
据此，复旦大学彭慧胜教授、陈培宁研究员团队突破传统芯片硅基研究范式，率先提出并制备“纤维芯片”，在弹性的高分子纤维内实现大规模集成电路，成功将供电、传感、显示、信号处理等多功能集成于一根纤维之内，为纤维电子系统开辟全新的集成路径。有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业提供强有力的技术支撑。
2026年1月21日，相关工作以“Fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”为题发表于Nature。博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者，彭慧胜教授、陈培宁研究员为本论文通讯作者。
为纤维器件“匹配”纤维芯片
过去几十年，纤维器件相继被赋予发电、储能、显示、感知等功能，有望推动信息、能源、医疗等重要领域变革发展，甚至催生电子织物等新产业。这也被多个国家和地区列为国家级创新领域，全球市场规模未来有望达万亿欧元级别。
将纤维器件集成得到多功能纤维电子系统，是实现规模应用的必经之路。但目前，纤维系统通常连接硬质块状芯片，与其柔软、可适应复杂变形等应用要求存在根本矛盾，这也成为整个领域面临的一个重要挑战。
该研究团队在国际上率先提出“纤维器件”概念，已创建出具有发电、储能、发光、显示、生物传感等功能的30多种新型纤维器件，相关成果七次登上《Nature》，获授权国内外发明专利120多项，部分成果已初步实现产业应用。
在持续深耕研究过程中，团队意识到，要实现纤维器件的大规模应用，必须要将不同功能的纤维器件集成在一起，形成纤维电子系统，并赋予其信息交互功能。也正是因此，团队在10多年前就提出“纤维芯片”的概念并开启研究。
此次，团队终于通过在柔软、弹性的高分子纤维内建立多层旋叠架构设计思想，实现微型电子器件高集成密度，有望摆脱对硅基芯片电路的依赖。
陈培宁介绍，通过设计多层螺旋架构，按照目前实验室级1微米的光刻精度预测，长度为1毫米的“纤维芯片”可集成数万个晶体管，其信息处理能力可与一些医疗植入芯片相当；若“纤维芯片”长度扩展至1米，其集成晶体管数量有望提升至百万级别，达到经典计算机中央处理器的晶体管集成水平。如果光刻精度达到纳米级的话，集成数量将更高。
破解三方面难题实现零的突破
值得一提的是，团队跳出“仅利用纤维表面”的惯性思维，提出多层旋叠架构的设计思想，即在纤维内部构建多层集成电路，形成螺旋式旋叠结构，从而最大化地利用纤维内部空间。这也是在国际上首次实现纤维芯片制备零的突破。
实现这一设想，主要面临三方面难题。首先，集成电路光刻对衬底的平整度要求，但常用弹性高分子表面在微观尺度极不平整，粗糙度为几十纳米，相当于在坑坑洼洼的软泥地上盖高楼；其次，目前光刻过程中用到多种极性溶剂，弹性高分子与这些溶剂接触后极易发生溶胀；同时，集成电路中的很多功能组分，如半导体、金属导电通路等，很难承受纤维拉伸、扭曲等复杂变形中所引起的局部应变集中，极易引发电路结构脆裂和性能快速失效。
为此，团队通过多年攻关，探索出了系统解决方案。先后攻克了高分子表面平整化、耐溶剂侵蚀、形变下电路稳定等多个技术难题，发展出可在弹性高分子上直接进行光刻高密度集成电路的制备路线，最终成功制备出具有信息处理功能的“纤维芯片”。
在弹性高分子上做高密度集成电路，好比在坑坑洼洼的软泥地上盖高楼，还要让高楼经得起拉伸扭曲。
首先是表面平整度。传统硅基芯片的衬底粗糙度非常低，而常用弹性高分子的表面粗糙度一般在几十纳米，微观上极度凹凸不平。团队尝试了多种方法，最终通过等离子刻蚀技术，成功将弹性高分子表面粗糙度降至1纳米以下，“相当于把软泥地打磨平整，为盖楼打下了地基。”
其次是溶剂侵蚀和结构稳定。光刻过程中使用的多种极性溶剂会让弹性高分子材料发生溶胀变形，导致前期制备的平整表面功亏一篑。经过多种尝试，团队最终锁定了一类叫做聚对二甲苯的高分子材料，通过沉积工艺，它可以在弹性衬底表面形成致密膜层，形成“硬-软异质结构”，不仅有效抵御溶剂侵蚀，还能减小电路层应变，确保结构稳定，如同给电路层穿上了“防护衣”。
制备出的“纤维芯片”可承受1毫米半径弯曲、20%拉伸形变，水洗、卡车碾压后性能依然稳定。这款“纤维芯片”不仅保持了纤维柔软、可编织的本征特性，更实现了电阻、电容、二极管、晶体管等电子元件的高精度互连，光刻精度达到了实验室级光刻机最高水平。这意味着，基于“纤维芯片”，未来可将发光、传感等模块直接集成在一根纤维上，形成无需外接设备的全闭环系统，甚至实现自供能。
值得一提的是，所发展的制备方法，与目前芯片产业中的成熟光刻制造工艺高效兼容，通过研制原型装置，设计标准化制备流程，初步实现了“纤维芯片”的实验室级规模化制备。
通过晶体管与电容、电阻等电子元件高效互连，“纤维芯片”可实现数字、模拟电路运算等功能，集成有机电化学晶体管后，还可完成神经计算任务。
实验推算显示，按照目前实验室级1微米的光刻加工精度，长度为1毫米的“纤维芯片”可集成数万个晶体管，其信息处理能力可与一些医疗植入式芯片相当。若“纤维芯片”长度扩展至1米，其集成晶体管数量有望提升至百万级别，达到与经典计算机中央处理器相当的集成水平。
这项技术突破融合了多学科智慧，得到了复旦大学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、电镜中心及附属中山医院等多个团队的支持。
柔性“芯纤”未来可期
“一根头发丝粗细的纤维，就能集成传感、处理、刺激反馈等闭环功能，这在过去是个不小的挑战。”陈培宁表示，这项研究成果有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等多个领域变革发展提供有力支撑。
在脑机接口领域，“纤维芯片”有望破解传统设备瓶颈，为脑科学研究和脑神经疾病治疗提供新的工具。目前，脑机接口的神经探针需连接外部信号处理模块，基于“纤维芯片”，可在直径低至50微米的超细纤维上，集成1024通道/厘米的高密度传感—刺激电极阵列与信号预处理电路，其柔性与脑组织相当，生物相容性良好，采集的神经信号信噪比达7.5dB，与商用设备持平。“通过持续攻关，有望在一根纤维内实现更多更复杂的闭环功能。”陈培宁说。
在电子织物方面，“纤维芯片”能让普通衣物变身“交互屏”。“过去的织物显示只能实现简单的图案，要做动态视频、触控交互，没有信息处理模块是不行的。”陈珂介绍，借助“纤维芯片”的有源驱动电路，单根纤维可集成高密度像素点阵列。这意味着，人们今后或许无需掏出手机，袖口就能显示导航；运动时，衣服可实时显示生理健康数据、甚至播放视频。
在虚拟现实领域，“纤维芯片”也能发挥重要作用。传统触觉交互手套依赖硬质传感器和芯片，难以紧密贴合皮肤，在远程手术等精细操作中存在局限。基于“纤维芯片”的智能触觉手套兼具全柔性与透气性，可集成高密度传感与刺激阵列，更精准模拟不同物体的力学触感。
“医生戴着它做远程手术，能清晰感知脏器硬度；游戏玩家佩戴时，能逼真触摸虚拟道具，就像拥有了‘第二皮肤’。”王臻解释道。目前，团队正与附属中山医院科研团队合作，探索将“纤维芯片“技术应用到心血管介入器械中，有望辅助医生更精准地完成手术。
多学科协同走通设想到产品之路
彭慧胜教授介绍，这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和生物应用等多个不同学科。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。此外，得益于复旦大学的多学科优势，这项工作还得到了来自校内聚合物分子工程全国重点实验室、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通力协作。
未来，围绕“纤维芯片”研究，团队期望继续与来自不同学科的学者一起协同攻关，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，推动实现更广领域高质量应用，为我国集成电路产业自立自强贡献力量。
该研究得到国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目支持。
