中國科學家把芯片做成“頭發絲”，織進衣服裏

說起芯片，人們腦海中一般會浮現科技感十足的片狀結構。

能否把它做成柔軟的纖維狀結構？“我們在大約10年前萌生了這個想法，覺得很有趣，就開始做了。”中國科學院院士、複旦大學教授彭慧勝說。

經過多年攻關，彭慧勝和複旦大學教授陳培寧領銜的科研團隊利用自主設計的多層旋疊架構，在彈性高分子纖維內實現了大規模集成電路。為便於理解，團隊給它取了個別名“纖維芯片”。1月22日，這項跳出以往集成電路框架的研究成果發表於《自然》。

“有趣”之餘，纖維芯片也很有用。它既有良好的信息處理能力，又有高度柔軟、適應拉伸扭曲等複雜形變、可編織等獨特優勢，有望為發展腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業提供有力支撐。

纖維芯片結構示意圖。研究團隊供圖

引領纖維器件領域

纖維器件是我國具有領先優勢的領域之一，並引發國際學術界和產業界關注。而提出這一概念的，正是彭慧勝團隊。

自2008年成功研製“纖維變色器件”以來，彭慧勝團隊在纖維器件領域持續深耕，迄今已創建出30多種具有發電、儲能、發光、顯示、生物傳感等功能的新型纖維器件。 其中，發光纖維器件、纖維鋰離子電池、顯示織物3項研究成果及相關技術，已初步實現轉化應用。

在攻關纖維器件的過程中，團隊逐漸意識到，要想讓纖維器件走向大眾、實現大規模應用，必須將不同功能的纖維器件集成，形成纖維電子係統，並賦予信息交互功能。這一路徑與智能手機、計算機等各類電子設備的發展曆程相似，其中，具有信息處理功能的芯片是核心部件，也是當前該領域的“無人區”。

2015年，團隊開始布局相關研究，也取得了一些階段性成果，但離真正實現芯片功能仍相去甚遠。

2020年，新一輪嚐試開啟。隨著複旦大學博士後施翔，博士研究生王臻、陳珂等人的陸續加入，一支著眼於“解決難題”的團隊凝聚起來。此後5年，團隊一邊苦練基本功，一邊同複旦大學校內集成電路、生物醫學工程等團隊合作，在學科交叉處尋求突破點。

功夫不負有心人，團隊最終啃下了纖維芯片這塊“硬骨頭”，發展出在柔軟的纖維裏構建高密度集成電路的方法，並基於此製備出纖維芯片。

10萬個晶體管厘米光鏡圖。

纖維芯片的電子元件（如晶體管）集成密度達10萬個/厘米，通過晶體管與電阻、電容等元件的高效互連，可實現數字、模擬電路運算等功能，以及與典型醫療植入芯片相當的電脈衝調製功能。

基於纖維芯片，研究團隊在一根沒有頭發絲粗的纖維上實現了供電、傳感、顯示、信號處理等功能的一體化集成，為纖維係統開辟了全新集成路徑。

此外，與傳統硬質芯片相比，纖維芯片還具有優異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等複雜形變，甚至在經過上百次水洗、置於100攝氏度高溫環境、卡車碾軋後，仍能保持性能穩定。

“纖維芯片架構和製備方法具有普適性。比如，可集成有機電化學晶體管，完成神經運算任務。”陳培寧補充說。

在“空白”上繪製新路徑

對團隊來說，研製纖維芯片的最困難之處在於，已有經驗可能是“彎路”，必須跳出現有體係的思維定式，尋找一條新路徑。

一方麵，以往纖維電子器件集成的方法不再適用。長期以來，纖維係統普遍依賴連接硬質芯片電路，不僅係統內電路連接複雜、不穩定，而且與纖維柔性、透氣性、輕量化、穿戴舒適性等應用要求存在根本矛盾。

另一方麵，產業廣泛應用的矽基襯底加工工藝無法直接“套用”於柔軟、有彈性的高分子纖維材料。“我們嚐試了很多晶體管和材料體係，這些體係在不同文獻中都有報道，卻唯獨在我們的基底上做不出來。”王臻回憶道。

經過一次次試錯、一次次頭腦風暴，一些“卡點”問題逐漸浮現。纖維表麵積有限、彈性高分子表麵在微觀尺度上極不平整、光刻過程中用到多種極性溶劑易腐蝕彈性高分子、電路層難以承受纖維複雜變形引起的應變集中……

“纖維芯片”多層旋疊架構的三維重構熒光標記照片。

找到問題後，團隊一一破解：改用纖維內部空間，提出多層旋疊架構的設計思想，即構建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結構；采用等離子刻蝕方法，對彈性高分子表麵進行平整化處理，將其粗糙度降至1納米以下；在彈性襯底上設計一層致密的聚對二甲苯膜層，在有效抵禦溶劑侵蝕的同時，與彈性高分子襯底形成“硬-軟模量異質結構”，減小纖維複雜變形過程中的電路層應變……

“我剛接觸課題時，對集成電路或芯片沒什麽概念，幾乎是一片空白。”陳珂說，“空白帶來的好處可能是，不受集成電路領域一些根深蒂固想法的影響，敢‘打開腦洞’，嚐試以往沒試過的方法。”

為新興領域變革發展提供有力支撐

值得一提的是，纖維芯片的製備方法，可與目前芯片產業中成熟的光刻製造工藝有效兼容，有望降低後續產業化落地的難度。目前，研究團隊已經通過研製原型裝置、設計標準化製備流程，初步驗證了纖維芯片規模製備的可行性。

“基於纖維芯片的集成方法，使纖維係統擺脫了對外部信息處理設備的依賴，有望在一些新興領域產生獨特應用。”陳培寧說。

在腦機接口領域，利用纖維芯片技術，有望在一根頭發絲粗細的纖維內，集成“傳感—信號處理—刺激輸出”閉環功能係統，為腦科學和腦神經疾病診斷與治療提供新工具。團隊初步驗證，在直徑50微米的超細纖維上，可同時集成幾種纖維器件，包括高密度傳感-刺激電極陣列與信號預處理電路。該係統具有與腦組織相當的柔性和良好的生物安全性，采集的神經信號的信噪比與商用外部信號預處理設備相當。

纖維芯片編織進織物。

電子織物被認為是可穿戴設備的終極發展形態，其核心挑戰在於如何實現全柔性的織物係統。有了纖維芯片，無需外接處理器，就可以直接編織構建柔軟、透氣的全柔性電子織物係統。“借助纖維芯片內置的有源驅動電路，可在織物中實現動態像素顯示。未來，或許一件衣服就能實現電腦和手機的交互功能。”陳培寧說。

在虛擬現實領域，目前觸覺接口高度依賴塊狀硬質信號處理模塊，導致與皮膚柔性表麵貼合度不足，難以實現精準細致的信號采集與輸出。采用纖維芯片的智能觸覺手套，兼具高柔性與透氣性，可集成高密度傳感與刺激陣列，精準模擬不同物體的力學觸感，適用於遠程手術組織硬度感知、虛擬道具交互等場景。

不過，研究團隊強調，纖維芯片並不是為了替代傳統矽基集成電路，而是希望能借助其優勢為集成電路發展提供新的思考和路徑。

“圍繞纖維芯片，未來還有很多工作要做。”陳培寧表示，團隊將繼續加強與不同學科的合作，進一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更複雜應用場景的需求。在規模化製備和應用方麵，團隊已建立了自主知識產權體係，希望能與上下遊產業界協同，實現更高質量應用。