复旦大学成功研制纤维芯片 突破传统硅基集成电路范式实现柔性信息处理

长期以来,集成电路以硅基平面结构为主,性能不断提升的同时,也面临形态与应用场景的边界:硬、脆、难以贴合复杂曲面,尤其在可穿戴、植入式设备与织物级电子系统中,传统芯片往往需要刚性封装与外置处理单元,导致舒适性、可靠性和系统集成度受到制约。

如何在保持计算与信号处理能力的前提下,实现“像纤维一样柔软、可编织、可贴附”的电子核心器件,成为柔性电子走向系统化应用的一道关键门槛。

这一需求的形成,与新兴应用快速发展密切相关。

一方面,脑机接口、神经调控等方向需要与人体组织长期稳定接触,器件必须具备更高的柔顺性与生物适配性;另一方面,智能服装、医疗监测等电子织物要在日常穿着与反复洗涤中保持稳定,器件耐弯折、耐拉伸以及环境耐受性尤为重要。

与此同时,虚拟现实、远程交互等场景对触觉感知与实时计算提出更高要求,若仍依赖外置处理器与复杂连线,将限制设备轻量化与体验提升。

在此背景下,复旦大学彭慧胜、陈培宁团队提出并推进“纤维器件”研究路线,在发电、储能、发光、显示、生物传感等方向形成一系列成果。

进一步的系统化瓶颈也随之显现:单一功能纤维器件难以支撑复杂信息交互,纤维电子要真正走向规模应用,必须实现多功能器件的集成化,并具备类似“芯片级”的信息处理能力。

传统思路多集中在纤维表面构建结构,受限于空间与互连方式,难以实现高密度集成与复杂电路功能。

针对上述难题,团队提出多层旋叠架构设计,突破“只在表面做文章”的惯性路径,将集成电路向纤维内部空间延展。

经过多年攻关,研究人员建立了在弹性高分子材料上直接开展光刻、制备高密度集成电路的技术路线,并与当前产业中成熟的光刻制造工艺实现高效兼容。

通过原型装置与标准化流程设计,相关成果已实现初步规模制备,为后续工程化与应用验证奠定基础。

从性能指标看,该“纤维芯片”在单位长度内实现高密度电子元件集成,晶体管等关键器件的集成密度达到每厘米10万个量级,并通过高效互连实现数字与模拟电路运算等功能。

更重要的是,其架构与制备方式具有一定普适性,可进一步集成有机电化学晶体管等器件形态,能够承担神经运算等任务,为面向生物信号处理与类脑计算的应用拓展了空间。

“纤维芯片”的影响,突出体现在“计算能力与形态能力”同步提升上。

与传统刚性芯片相比,该器件在弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变下仍可保持工作,并在水洗、高低温等环境考验及外力挤压条件下表现出较好的稳定性。

这意味着电子系统有望从“板级/盒级”向“织物级/组织级”延伸:在脑机接口领域,纤维形态可能为长期、低侵入的信号采集与刺激提供新的实现方式;在电子织物领域,基于纤维芯片可在织物内部完成部分信息处理,减少外接处理器依赖,从而提升柔软性与透气性,推动可穿戴设备从“外挂式”向“隐形化”演进;在虚拟现实与远程操作领域,结合触觉传感与实时处理的纤维系统可用于智能手套等设备,在远程手术的硬度感知、虚拟交互等场景增强沉浸与精细操控。

面向下一步推进,仍需从工程化与应用生态两端同步发力。

其一,在制造层面要进一步提升良率、批次一致性与成本可控性,形成更完善的标准与检测体系;其二,在系统层面需打通供电、通信、封装与织造工艺等关键环节,建立面向实际场景的全链条方案;其三,在医疗与人体相关应用中,应强化安全性、可靠性与长期稳定性评估,推动与临床需求、监管要求相衔接;其四,鼓励产学研协同,围绕电子织物、康复医疗、智能交互等重点方向开展试点示范,形成可复制、可推广的应用路径。

从趋势看,柔性电子正在从单点器件向系统集成迈进,核心挑战不再只是“能弯曲”,而是“能计算、能互联、能量产、能长期可靠运行”。

此次“纤维芯片”以多层架构实现纤维内部集成电路,并兼顾工艺兼容与规模制备探索,为柔性电子提供了更接近产业化的技术路线。

随着材料、制造与系统设计进一步成熟,纤维化的计算与交互能力有望在更多场景落地,带动相关产业链加速成形。

这项源自中国实验室的原创性突破,不仅重构了电子器件的物理形态,更开辟了"纤维电子学"这一全新学科方向。

随着5G、人工智能等技术与柔性电子的深度融合,未来或将催生"人机无缝交互"的新型产业生态,而中国科学家在此次技术革命中展现出的范式创新能力,为我国在新一轮科技竞争中赢得重要先机。