我国科学家突破柔性电子技术瓶颈 "织入式"纤维芯片实现可穿戴设备革命性升级

(问题)可穿戴设备、电子织物、沉浸式交互乃至脑机接口等新兴方向,正对电子系统提出“贴身、可长期佩戴、可洗可揉”的更高要求。纤维和织物天生柔软、可编织、可拉伸,适合与人体长时间接触。但长期以来,纤维系统多停留在“可感知、可导电”的层面,真正的信号运算与控制仍依赖外接的刚性芯片和封装模块完成。这不仅增加体积与重量,也容易带来佩戴不适、连接不稳、可靠性下降等问题,成为电子织物走向复杂应用的主要瓶颈。 (原因)传统集成电路以平整、刚性的硅片为基础,通过光刻等工艺在二维平面上实现高密度电路。相比之下——纤维曲率大、表面起伏明显——且在穿戴过程中持续弯折、扭转、拉伸,难以满足常规光刻对平整度与稳定性的要求。如果只是将电路“铺”在纤维表面,集成度受限,也更容易在形变中出现应变集中,影响器件寿命。如何同时兼顾柔性形态与高集成度,是该领域的关键难题。 (影响)据复旦大学团队介绍,他们打破“芯片必须平面化”的思路,提出“重构芯片形态”的设计:不再把电路摊平在纤维表面,而是将多层集成电路沿纤维轴向进行螺旋式旋叠,尽可能利用纤维内部空间,在有限直径内提升集成度,从而形成具备完整信息处理能力的“纤维芯片”。论文显示,该纤维芯片在保持柔软的同时,可承受约1毫米半径弯曲和20%拉伸形变,并在水洗及外力挤压等条件下保持性能稳定。通过晶体管与电阻、电容等器件的高效互连,系统已具备数字与模拟电路运算能力,并可继续集成器件用于类神经计算探索。研究推算,在当前实验室级1微米光刻精度下,长度1毫米的纤维可集成数万个晶体管;若长度扩展至米级,集成规模有望达到百万级,为“把传感、处理、反馈织进单根纤维”提供了可验证路径。 (对策),该团队在工艺路线设计上强调与成熟光刻制造流程兼容,并通过原型装置与标准化流程,初步实现了实验室条件下的规模化制备,为成果走向应用提供了可行方向。下一步,业内普遍认为仍需在三上推进:其一,建立面向纤维芯片的可靠性评价体系,覆盖反复拉伸、汗液与洗涤、长期贴肤等真实工况;其二,完善电源、通信与封装的一体化方案,解决可穿戴场景下的供能、散热与数据连接问题;其三,推动材料、装备与设计工具协同,形成可复制、可量产的制造与测试标准,降低从实验室到产业化的转换成本。 (前景)随着健康监测、康复辅具、运动科学、虚拟现实交互等需求增长,可穿戴系统正从“单点传感”走向“贴身计算”。若纤维芯片能增强集成度、提高批量一致性,并与纺织工艺深度融合,未来有望在智能衣物、连续生命体征监测、柔性人机交互、低负担脑机接口等方向释放潜力。同时,对应的技术也将带动柔性电子材料、微纳加工装备与电子织物标准体系的完善,推动可穿戴产业从“外接模块”向“原生织入”升级。

从“把芯片贴在纤维上”到“让芯片长在纤维里”,此进展反映了通过形态重构带动制造范式转变的思路;面向可穿戴与人机交互加速融合的趋势,能否在柔软载体上实现高集成度、可量产、可长期稳定的运算单元,将直接影响电子织物从概念走向日常、从演示走向规模应用。随着工艺成熟与产业协作加深,“织入式”信息处理有望成为下一代可穿戴系统的重要基础。