长期以来,纤维器件因柔软、可编织、可贴合复杂曲面等特点,被寄予在可穿戴健康、智能服装、柔性显示等场景实现“无感化”电子功能的期待。
过去几十年,纤维形态的发电、储能、显示、感知等技术不断涌现,但系统层面的应用推进始终面临一道“硬障碍”:关键的信息处理与控制环节仍高度依赖外接的硬质块状芯片。
柔软纤维与刚性芯片在结构匹配、形变可靠性、耐久使用与规模集成方面存在先天矛盾,导致纤维系统难以真正实现一体化、小型化与高可靠度,成为限制该领域走向产业化的重要瓶颈。
这一矛盾的根源在于,传统集成电路以硅基衬底为核心路径,依托平面化工艺实现高密度集成,而纤维体系则天然属于曲面、细长、可弯折甚至可拉伸的形态。
若简单将芯片“绑”在纤维上,连接点既是机械薄弱环节,也是电学与工艺集成的复杂源头;在反复弯折、洗涤、拉伸等使用条件下,易引发电连接失效与性能衰减。
由此,纤维器件“功能可实现”与“系统难落地”之间的落差持续存在。
业内普遍认为,要让纤维电子从单一器件走向可用系统,必须突破“在纤维内部实现电路集成”的关键环节,使信息处理能力与纤维形态同构。
在此背景下,复旦大学彭慧胜、陈培宁团队提出面向纤维形态的集成新思路,率先通过多层旋叠架构在弹性高分子纤维内实现大规模集成电路,形成“纤维芯片”。
相关成果以《基于多层旋叠架构的纤维集成电路》为题发表于《自然》主刊。
报道显示,该团队经过持续研究,逐步从纤维器件概念出发,已构建发电、储能、发光、显示、生物传感等30多种新型纤维器件体系,形成较为完整的技术积累,并获得国内外发明专利授权120余项,部分成果已开展初步产业应用探索。
正是基于多功能纤维器件储备,团队进一步把目标从“单点功能”推进到“系统集成”,将信息交互能力作为实现大规模应用的核心指标。
从技术路径看,此次突破的关键在于把高密度电路制造能力“搬进纤维”。
团队发展出可在弹性高分子材料上直接进行光刻的制备路线,并通过原型装置与标准化流程设计,实现了“纤维芯片”的初步规模制备。
值得关注的是,该方法强调与现有成熟光刻制造工艺高效兼容,这意味着其潜在价值不仅在于实验室层面的新结构,也在于为后续工程化、产业化降低了工艺迁移成本与供应链改造压力。
若能在可靠性、一致性与成本控制等方面进一步验证,纤维内部集成电路有望从“概念验证”走向“可制造、可交付”的产业化阶段。
其影响主要体现在三个层面:一是有望推动纤维电子从“外接芯片”的分体方案转向“纤维内生”的一体化方案,提升形变适应性与长期稳定性,为可穿戴与可编织系统的真实使用场景打开空间;二是为多功能纤维器件的协同集成提供通用底座,使电源、传感、显示与计算等环节在同一载体上更紧密耦合,进而提升系统能效与信息交互能力;三是有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴方向提供关键器件支撑,使相关设备更轻量、更贴合、更具沉浸感与可持续佩戴属性。
面向下一步推进,产业化仍需以工程指标为牵引持续攻关。
其一,需在复杂工况下验证纤维芯片的电学稳定性与机械耐久性,建立包括拉伸、弯折、扭转、洗涤与汗液环境等在内的标准化测试体系;其二,需完善标准化制备流程与质量评价方法,提升批量生产的一致性与良率,形成可对接产业链的工艺窗口;其三,需围绕应用场景开展系统级设计,明确纤维芯片与纤维传感、能量单元、无线通信等模块的接口规范,推动从“器件突破”向“系统产品”转化;其四,需统筹安全与伦理要求,尤其在健康数据采集、神经接口等敏感领域,建立合规与安全框架,确保技术进步与社会治理同步。
前景上看,随着柔性电子、可穿戴计算和智能材料的交叉融合加速,面向人体与环境的“纤维化”电子系统有望成为重要技术方向。
纤维芯片若能在工艺兼容、规模制备与可靠性验证上持续取得进展,将可能推动电子产品形态从“硬件在手”走向“功能在衣”,在医疗健康监测、运动康复、公共安全、沉浸式交互等领域形成新的应用范式,并带动材料、装备、工艺与标准体系的协同升级。
复旦大学团队在纤维芯片领域的突破,体现了我国科研工作者在前沿基础研究中的创新能力和执着精神。
这项成果不仅填补了国际学术空白,更重要的是为柔性电子产业的发展指明了新方向。
随着纤维芯片技术的进一步完善和产业化推进,必将催生一批具有革命性意义的新产品和新应用,为人类生活方式的创新升级提供强有力的技术支撑。