像丝线一样柔软，却能进行复杂计算

中青报·中青网记者 王烨捷

1月22日，复旦大学彭慧胜、陈培宁团队的研究成果以《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》为题发表于国际学术期刊《自然》（Nature）。研发团队给这项成果取了一个更加通俗易懂的名字——“纤维芯片”。

“给它打上双引号，是因为它虽然是一款集成电路，但它不是片状的，而是一种纤维，更像丝线。”中国科学院院士、复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系教授彭慧胜说，当下应用比较广泛的可穿戴设备使用的芯片，普遍是“硬质块状芯片”，这与纤维材质柔软、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，“我们实际上从10年前就开始思考像纤维一样柔软的芯片，在一批又一批研究生的接力下，最终制备了这种‘纤维芯片’”。

复旦团队制备的“纤维芯片”。受访团队供图

彭慧胜和复旦大学教授陈培宁为该论文的通讯作者，博士研究生王臻、陈珂和博士后施翔为共同第一作者。他们制备的“纤维芯片”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，具有良好的信息处理能力，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。

彭慧胜告诉记者，早在10多年前，他的团队就开始在“纤维器件”领域开展研究工作了。“最开始只是感兴趣，觉得在纤维材料上做集成电路挺有趣的，也没想过做出来有什么用，就做了。”彭慧胜说，“兴趣”是维持一项科学研究的驱动力，但同时也少不了学校层面对交叉学科和挑战性研究的支持和包容。

陈培宁说，团队在持续深耕的过程中强烈意识到，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才行。

而要实现这个功能，就需要一款具有信息处理功能的“纤维芯片”。过去纤维的电子系统普遍依赖连接硬质块状的芯片电路，把“硬芯片”用到纤维材料上，比如一件衣服、一副手套上，会导致系统内电路连接不稳定，穿戴也不舒适。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。

这被认为是整个纤维器件领域的“硬骨头”。

“纤维芯片”在手指上打结。受访团队供图

复旦大学江湾校区西门的对面，是上海市杨浦区人民政府、复旦大学和上海城投（集团）有限公司三方共同发起成立的“未来谷—湾谷创新中心”。在这里的一间实验室里，中青报·中青网记者见到了最新款的“纤维芯片”。

它像人们日常使用的丝线一样，一圈一圈缠绕在线筒上。之所以说它是“最新款”的产品，是因为此前彭慧胜团队在2021年就研发出了一款大小为1.5平方米的“智能显示布”，并且登上了《自然》。当时这款材料仅具备“显示”这项功能，如今的“纤维芯片”已经具有高效的信息处理能力。

芯片的信息处理功能依赖于大量微型电子元件（如晶体管、电容、电阻等），这些元件高度互连形成集成电路。纵观过去芯片的发展历程，普遍依赖硅基衬底所支撑的光刻制造技术。复旦团队要把高密度的集成电路嵌入到柔软、弹性的高分子纤维材料内，挑战极大，无先例可循。

首先面临的一个挑战是，与目前集成电路所用的硅基平面衬底不同，纤维受限于其固有的曲面结构和有限的表面积（每厘米长度纤维仅0.01-0.1平方厘米），很难集成足够数量的电子元件，以实现高效信息处理能力。

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。基于实验结果推算，即便按照目前实验室级1微米的光刻精度，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用植入芯片相当；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中晶体管集成水平。

有了路线图，下一步就是让它“梦想成真”。这时摆在研究团队面前的有三大难题：一是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，无法满足集成电路光刻对衬底的平整度要求，这相当于在坑坑洼洼的软泥地上盖高楼；二是，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，难以进行集成电路的稳定光刻制造；三是，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。

记者了解到，仅“制备”这件事，团队就付出了5年的时间，最终通过化学、材料、信息、电子、医学等多学科协同攻关，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。

这个团队还特别“接地气”，团队开发的制备方法可以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”的实验室可规模化制备。

同学们后续还花了不少时间来研究这款纤维芯片“是否耐用”。它可以在手指上实现打结，甚至被卡车碾压后继续保持信号传输的稳定性。

他们还为这款纤维芯片找到了不少应用场景。

在脑机接口领域，基于“纤维芯片”技术，有望在一根像头发丝般细的纤维内，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-刺激电极阵列与信号预处理电路，具有与脑组织相当的柔性和良好的生物安全性，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。

在电子织物领域，“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，“纤维芯片”构建的智能触觉手套，可以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。

来源：中国青年报客户端