长期以来,纤维形态电子器件因柔软、透气、可编织等特性,被认为是下一代智能终端的重要方向。
过去几十年,纤维器件在发电、储能、显示、感知等方面不断取得进展,应用设想从健康监测到沉浸式交互持续拓展。
然而,一个关键瓶颈制约着其走向大规模应用:纤维系统多依赖外接硬质块状芯片实现计算与控制,刚性器件与纤维材料在形变能力、服役稳定性和佩戴舒适度上的矛盾难以回避,成为柔性电子从“可用”走向“好用”的核心障碍之一。
这一矛盾的根源在于制造与材料两端的双重限制。
一方面,传统集成电路工艺以硅基衬底为主,追求高平整度与高精度图形转移;而弹性高分子纤维天然存在表面起伏、形貌不均等问题,难以满足光刻等关键工序对纳米级平整度的要求。
另一方面,纤维在拉伸、弯折、扭转等复杂形变下,电路层极易产生应变累积,导致结构损伤、性能漂移甚至失效。
换言之,若无法在纤维内部建立既能“像芯片一样计算”、又能“像纤维一样变形”的集成电路体系,纤维电子系统就难以摆脱“软体外接硬核”的路径依赖。
在此背景下,复旦大学彭慧胜、陈培宁团队围绕“把电路做进纤维里”的目标展开攻关,提出多层旋叠架构,在弹性高分子纤维内实现大规模集成电路,形成“纤维芯片”概念与技术路线。
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,标志着纤维电子从单功能器件向系统级集成迈出关键一步。
从技术路径看,该研究的突破并非单点创新,而是围绕“可制造、可稳定、可规模化”三条主线形成成套解决方案。
其一,针对弹性高分子表面不平整导致的制程不适配问题,团队采用等离子刻蚀实现表面平整化处理,将粗糙度降低至1纳米以下,使其满足商业光刻对基底质量的要求,并将光刻精度推进到实验室设备能力上限。
其二,为应对光刻流程中的溶剂侵蚀及形变引发的应变集中,团队在弹性衬底上构建致密聚对二甲苯纳米膜层:该膜层既起到工艺保护作用,又与弹性基体形成交替的“硬-软模量异质结构”,在纤维复杂变形过程中显著降低电路层应变,从而提升器件结构与功能的稳定性。
其三,研究强调与现有成熟光刻制造工艺的兼容性,通过研制原型装置、制定标准化流程,初步实现“纤维芯片”的规模制备,为从实验室走向工程化奠定基础。
在影响层面,“纤维芯片”的意义不仅在于实现了“能弯能拉”的电路形态,更在于把信息处理能力直接嵌入纤维载体,为纤维电子系统补上“计算与交互”这一关键环节。
若以产业链视角观察,纤维器件已可承担感知、发光、储能等多类功能,但缺乏可与之同形同构的计算单元,就难以形成闭环系统。
研究所展示的“信息处理能力与典型商业芯片相当”,叠加可编织、可形变等特征,有望推动电子织物从“功能叠加”走向“系统集成”,并在健康监测、运动康复、工业安全、应急救援等场景提升实时性与可靠性。
对策与路径选择上,此项成果也提供了可借鉴的研发范式:以应用形态提出材料与工艺的新要求,再回到工艺体系中寻找与产业兼容的实现方式。
团队此前在“纤维器件”领域已积累多类新型器件体系与专利布局,表明持续的体系化研发有助于突破跨学科瓶颈。
放眼全球,柔性电子与可穿戴技术已成为多国重点布局方向,围绕标准、工艺平台、可靠性评价和规模制造的竞争日趋激烈。
面向未来,谁能更快建立可复制的制造流程、更稳定的服役性能和更明确的应用闭环,谁就更可能在新兴产业链中占据先机。
前景方面,随着纤维芯片与纤维传感、显示、能源器件进一步协同集成,面向“以人为中心”的交互终端形态有望发生变化:穿在身上的织物不仅能“感知”与“显示”,还可能在本地完成一定的信息处理与反馈控制,提升隐私保护与实时响应能力。
面向脑机接口、虚拟现实等方向,柔软可编织的高密度电路为构建更贴合人体、更低负担的人机界面提供新的材料与结构选择。
但同时也需看到,从“可制备”到“可量产”、从“可工作”到“可长期可靠使用”,仍需在封装与耐洗涤、长期生物相容性、能量供给、标准体系与成本控制等方面持续攻关,并通过应用牵引推动验证迭代。
"纤维芯片"的成功研制体现了我国科研团队在前沿领域的创新能力和执着精神。
从提出概念到实现突破,复旦团队用五年时间将大胆设想变为现实,充分说明了基础研究的重要性和长期投入的必要性。
这一成果不仅填补了国际学术空白,更为我国在柔性电子、智能穿戴等战略性新兴产业中抢占先机提供了有力支撑。
随着"纤维芯片"技术的进一步完善和产业化推进,必将在改善人类生活、推动产业升级中发挥越来越重要的作用。