复旦大学成功研制纤维芯片 柔性信息处理器开启智能织物新时代

问题:随着可穿戴设备、电子织物、植入式医疗与脑机接口等需求快速增长,电子系统正从“可携带”迈向“可贴合、可植入、可长期工作”。但现实中——人体与衣物天然柔软——承担计算与控制任务的芯片却多为硬质硅基器件,导致智能织物往往需要外接“硬盒子”,植入设备也难以舒适度、可靠性与集成度之间兼顾。如何让信息处理能力从硬质模块转向可弯折、可编织的载体,成为新一代柔性电子的关键命题。 原因:传统芯片依赖在硅晶圆上构建高密度晶体管并进行光刻加工,该路线长期沿着制程微缩提升算力与集成度。然而,纤维等弹性高分子材料在微观尺度上表面粗糙、易受溶剂影响发生溶胀形变,且在拉伸、扭曲等复杂形变下容易造成电路层应力集中与结构损伤,使得“把成千上万晶体管做到细如发丝的纤维里”缺乏成熟范式。此前纤维电子多停留在表面器件或低密度集成阶段,难以承担系统级信息处理任务。 影响:据团队介绍,此次工作突破了“只在纤维表面做器件”的惯性思路,提出在纤维内部构建多层电路的“多层旋叠架构”,将平面集成转为沿纤维轴向延展并形成螺旋立体结构,以提高空间利用率与集成潜力。在此架构下,研究人员预测,即便在实验室级光刻精度条件下,一米长纤维芯片的晶体管集成量亦有望达到百万级别,显示出向更高密度系统集成演进的可能。更重要的是,团队实现了在纤维中高密度集成晶体管并与电阻、电容等元件互联,可完成一定的数字与模拟运算功能,使纤维不再只是“导线”或“传感器载体”,而具备信息处理器件的雏形。这意味着智能织物、柔性终端未来有望把“计算与控制”从外置硬件继续下沉到材料与结构本体之中,推动应用形态从“嵌入式”向“织入式”升级。 对策:为解决在“软基底上做高精度制造”的难题,团队形成了一条可在弹性高分子材料上直接进行高密度电路加工的制备路线:一上通过等离子刻蚀降低纤维表面粗糙度,使其达到光刻所需的平整度;另一方面在纤维基底上沉积致密的聚对二甲苯纳米薄膜,构建兼具防护与力学缓冲的“软—硬交替”结构,以抵御溶剂侵蚀并分散形变应力。涉及的实验表明,该结构有助于电路在弯曲、拉伸甚至高压作用下保持性能稳定。值得关注的是,研究团队强调其工艺与主流光刻路线具有兼容性,并展示了可成卷制备的样品,这为从实验室验证走向工程化放大提供了现实接口。对产业而言,工艺兼容性与可规模化潜力,往往决定从“概念验证”到“产业应用”的距离。 前景:纤维芯片的价值不止于单一器件创新,更在于为纤维电子系统集成提供新的技术坐标。面向电子织物场景,纤维芯片若与纤维传感、能量采集与存储、无线通信等环节协同,有望形成“可穿的系统”,让衣物在不显著增加厚度与重量的前提下实现感知、计算与交互。面向医疗健康与脑机接口等方向,柔软可拉伸的器件形态有望改善贴合度与长期佩戴舒适性,并在一定程度上降低运动导致的界面失配风险。当然,从科研突破到规模应用仍需跨越可靠性寿命评估、标准化测试、批量一致性、成本控制与系统级封装等关口,同时也应同步关注数据安全、隐私保护与使用边界等治理议题。可以预期,随着材料、制造与系统架构联合推进,柔性信息处理器件将成为下一阶段可穿戴与智能织物竞争的重要“底座能力”。

纤维芯片的诞生标志着我国柔性电子技术实现了从跟跑到并跑的转变。这项突破不仅是材料科学的进步,更反映了科研人员在原创性、引领性技术攻关上的坚持。随着产学研协同创新的推进,柔性电子技术有望重构人机交互的物理形态,为数字经济时代开辟新的产业增长空间。