1月22日，复旦大学重磅科研成果登上《自然》主刊（Nature）。复旦大学彭慧胜/陈培宁团队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”），“纤维芯片”信息处理能力与一些典型商业芯片相当，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。

“纤维芯片”攻克集成难题

“与智能手机、计算机等各类电子设备的发展路径相似，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。”论文通讯作者，复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系陈培宁教授表示，过去纤维电子系统的集成普遍依赖连接硬质块状的芯片电路，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。因此，亟需发展与纤维器件一维结构和功能适配的高效信息处理器，这被认为是该领域的一个“硬骨头”。

团队创新性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。

通过5年攻关，团队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，并解决了核心难题。比如，针对弹性高分子表面不平整的问题，采用等离子刻蚀方法，对弹性高分子表明进行平整化处理，将其粗糙度降至1纳米以下，有效满足商业光刻要求，目前光刻精度达到了实验室级光刻机的最高水平；针对目前光刻过程中，弹性高分子与溶剂接触后极易发生溶胀问题，在弹性衬底上设计一层致密的聚对二甲苯纳米膜层，显著减小纤维复杂变形过程中的电路层应变，确保电路结构、功能稳定，从而赋予“纤维芯片”优异的服役稳定性。

值得一提的是，团队所发展的制备方法，与目前芯片产业中的成熟光刻制造工艺有效兼容，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”的规模制备。

“纤维芯片”性能独特

据了解，团队所制备的“纤维芯片”中，电子元件（如晶体管）集成密度达10万个/厘米，通过晶体管高效互连，可实现数字、模拟电路运算等功能，如异或门、与非门、或非门等基础逻辑门电路，锁存器等时序逻辑电路，以及与典型心脏起搏器芯片相当的电脉冲调制功能。

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，仍能保持性能稳定。

过去，纤维电子系统中信号处理与控制主要依赖连接外部块状硬质芯片电路。该集成方式不可避免地引起电路互连复杂、穿戴舒适性差、体内植入安全性低等问题。团队基于“纤维芯片”，在单根纤维上实现了供电、传感、显示、信号处理等功能的一体化集成，为纤维系统开辟了全新的集成路径。这根像普通纤维一样的纤维系统，无需连接任何外部控制或供能模块，即可自主运行。

应用场景广阔，赋能未来产业变革

团队表示，“纤维芯片”有望促进脑机接口、电子织物等领域的变革性发展。

比如，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，才能实现有效的信号处理与识别。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（1024通道/厘米）与信号预处理电路（前置放大单元），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”，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。在虚拟现实领域，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，可集成高密度传感与刺激阵列，精准模拟不同物体的力学触感，适用于远程手术组织硬度感知、虚拟道具交互等场景，有望极大提升用户与虚拟环境的交互体验。

团队表示，未来围绕“纤维芯片”研究，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，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。

头图为成卷“纤维芯片”。劳动报记者 贡俊祺 摄影