你能否想象
未来的衣服能直接播放视频
手套能精准模拟触感
甚至一根细如发丝的纤维
就能完成脑电信号的探测与处理?
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、
聚合物分子工程全国重点实验室
彭慧胜、陈培宁团队
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
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柔软的“纤维芯片”在手指上打结照片
该成果于北京时间1月22日凌晨
以《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》
(“fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”)
为题发表于《自然》(nature)期刊
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
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01
从单一器件到高密度集成电路,
开辟“纤维芯片”新赛道
从蚕丝、金属导线再到通信光纤,纤维材料的每一次进步,都推动着人类文明的变革。纤维电子器件,因其在信息、能源、医疗等领域的广泛应用前景,一直备受学界与产业界关注。
“传统芯片是硬质、片状的,能不能把它做成柔软的纤维?我们觉得这个想法很有趣。”彭慧胜介绍。早在十多年前,团队就关注到可穿戴设备的巨大潜力,持续探索纤维器件的各种可能。
从纤维太阳能电池、纤维锂电池起步,彭慧胜团队十几年来逐步拓展出包括发光、显示、储能、生物传感等在内的30多种功能纤维器件,相关成果7次登上《自然》(nature)主刊,部分技术已实现产品落地并在汽车等领域得到应用。
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纤维电池织物
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发光纤维织物
随着研究深入,一个关键问题浮现出来:就像手机、电脑离不开芯片,将不同功能纤维器件形成完整的系统,具备信息交互功能,也必须有自己的“大脑”——一个能够处理信息的核心芯片。然而长期以来,纤维系统的集成普遍依赖连接硬质芯片电路板,这与纤维本身柔软、透气、可编织的特点格格不入。
“带硬质电路板的纤维系统,穿戴舒适性差、连接不稳定、体内植入安全性风险大,这让我们意识到,必须把信息处理模块也做成纤维形态。”陈培宁说。带着这样的想法,团队创造性地提出了“纤维芯片”的概念,从2020年起,在研发织物显示器件的同时,同步启动“纤维芯片”的攻关。
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“纤维芯片”概念图
“芯片的信息处理能力依赖于高度互连的复杂电路,要在弹性高分子纤维里实现,极具挑战。”陈培宁解释。传统芯片的光刻工艺普遍依赖平整的硅晶圆衬底,而纤维不仅具有曲面结构,表面积极小,用于制备纤维器件的弹性高分子基底,也很难耐受光刻过程中的各类极性溶剂,同时还要保证在拉伸、扭转等变形中保持电路稳定。
研究一度陷入僵局,直到一次灵感闪现。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路,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。“我们借鉴‘卷寿司’的方法,先在弹性高分子表面完成高精度微纳加工,再把它‘卷’成纤维形态,形成多层旋叠架构。”论文共同一作、先进材料实验室博士研究生王臻形容道。
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“纤维芯片”显示多层旋叠架构的三维重构荧光标记照片
经过近五年摸索、几代学生接力攻关,团队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,最终成功制备出具有信息处理功能的“纤维芯片”。
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。
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“纤维芯片”及其内部局部电路光学照片
02
在柔软纤维里“盖高楼”,
实现晶体管高密度集成
“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。”回忆研发历程,陈培宁道出了两大核心挑战。
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”。
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成卷“纤维芯片”和局部细节照片
“我们的制备方法可以与现有光刻工艺兼容,有望高效对接产业。”陈培宁介绍,团队通过研制原型装置,建立了标准化制备路线,初步实现“纤维芯片”的实验室级规模化制备。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。
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“纤维芯片”在卡车碾压时保持性能稳定
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。
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10w个晶体管每cm光镜图
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。
03
脑机接口、电子织物、虚拟现实,
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。
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在脑机接口领域的应用示意图和纤维系统实物光学照片
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。”论文共同一作、高分子科学系博士研究生陈珂介绍,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。
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在单根纤维上实现多功能一体化集成的示意图和实物照片

在单根纤维上实现触控显示的信息交互功能
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。
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在虚拟现实领域的应用示意图和概念原型照片
“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。
展望未来,团队希望进一步加强跨学科协作与产业合作,通过材料与工艺的优化,提升芯片良率和集成度,推动“纤维芯片”在更多领域实现高质量应用。“长远来看,我们希望有一天,基于‘纤维芯片’的电子织物,能像手机、电脑一样进行高效的信息交互。”陈培宁说。
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团队合影
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。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、聚合物分子工程全国重点实验室教授彭慧胜、陈培宁为本论文通讯作者,博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者。
论文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09974-0
纤维电子材料与器件研究院
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校融媒体中心
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韩佳珉 戚心茹
编 辑
郑艺
责 编
殷梦昊
上观号作者:复旦大学
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