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中国科学家全球首创“纤维芯片”,对现有芯片有何影响

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如何在纤维上实现高效信息处理功能,但又不影响纤维器件柔软、适应复杂形变、可编织等本征特性,复旦大学团队的最新成果为纤维器件实现规模应用提供可能。

1月22日凌晨,复旦大学彭慧胜/陈培宁团队的研究成果在《自然》主刊发布,该成果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”)。


柔软的“纤维芯片”在手指上打结。受访团队供图

“纤维芯片”信息处理能力与一些经典的商业芯片相当,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。

“我们并不是要取代现有的芯片,而是希望面向一些新兴领域应用场景,提供一个可能的新路径。”复旦大学纤维电子材料与器件研究院/高分子科学系教授、论文通讯作者陈培宁对第一财经记者说道,他们的纤维芯片有望能做一些传统芯片过去不太容易做到的事情。

陈培宁介绍,连接传统硬质芯片电路的纤维系统,穿戴起来舒适性较差,整个电路连接也不稳定,所以团队就想把信息处理模块也做成纤维形态。从2020年起,他们在研发织物显示器件的同时,同步启动“纤维芯片”的攻关。

应用场景有哪些

具有信息处理功能的芯片,是实现纤维电子系统和信息交互功能的核心部件,但过去纤维电子系统的集成范式,普遍依赖连接硬质块状的芯片电路,这种范式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。


成卷“纤维芯片”和局部细节。受访团队供图

“纤维芯片”则有望摆脱过去纤维系统对外部信息处理设备的依赖,在多个领域展现出独特应用前景,

例如在脑机接口领域,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。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-刺激电极阵列与信号预处理电路,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一个新工具。

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”,有望无需外接处理器,可直接编织构建柔软、透气的全柔性电子织物系统。例如,借助“纤维芯片”内置的有源驱动电路,可在织物中实现动态像素显示。

在虚拟现实领域,目前触觉接口高度依赖块状硬质信号处理模块,导致与皮肤柔性表面贴合度不足,难以实现精准细致的信号采集与输出,在远程医疗机器人手术等精细操作场景中局限性尤为突出。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。

还要提升性能

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,仍能正常工作。

陈培宁说,“纤维芯片”涉及多个学科,比如材料制备涉及化学,设计电路涉及信息、电子,“这也是为什么说做起来难度很大。”

他告诉记者,这项工作涉及材料合成制备、电子器件构建、电路设计集成和医学应用等,需要化学、信息、电子、医学等不同学科研究手段。而他们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,建立了涵盖化学合成、器件构建、光刻微纳加工和中试概念验证的全链条研究平台。此外,该工作还得到了来自校内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协作。

复旦大学纤维电子材料与器件研究院/高分子科学系博士生、论文第一作者陈珂也谈到了集成电路“小白”的好处。“我开始完全不懂什么是集成电路、芯片,空白带来的好处就是我们很敢去想,很敢去做之前没有做过的事情。比如传统芯片虽然是硬的,我们可能说能不能把它做软,用到一些传统芯片没有办法用到的地方。”

研究团队介绍,未来围绕“纤维芯片”研究,仍然还有很多工作要做,他们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。

复旦大学纤维电子材料与器件研究院/智能材料与未来能源创新学院博士生、论文第一作者王臻告诉记者,“纤维芯片”可以适配一些独特的应用场景,比如人体表面柔软的皮肤等。“未来也希望能和二维材料合作,这样它才能既获得比较好的柔性,又有非常好的形态并具备复杂功能,满足真正意义上的交互需求和植入应用。”

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