一根细如发丝的纤维里实现大规模集成电路！复旦新成果登上《自然》

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

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

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。

纤维电池织物

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。

“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。

“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。

“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”。

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。

“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。

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。

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。

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。

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。

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

来源：复旦大学

编辑：公子欣

上观号作者：上海科协