腦機接口下一個突破口？復旦“纖維芯片”成果登上《自然》

在一根比頭發絲還細的纖維里構建起高密度集成電路？這一大膽設想如今成為現實。

復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系彭慧勝/陳培寧團隊，在國際上率先研制出“纖維芯片”，其信息處理能力與一些經典商業芯片相當，且具有高度柔軟、適應拉伸扭曲等復雜形變、可編織等獨特優勢，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等未來產業提供關鍵支撐。北京時間1月22日零時，這項突破傳統硅基芯片范式的原創成果，發表于國際權威學術期刊《自然》。

【柔性時代呼喚“纖維芯片”】

纖維，是推動人類文明進步的關鍵材料。5000年前，蠶絲編織開啟織物文明；19世紀，金屬纖維催生電氣革命；20世紀60年代，石英纖維開辟光纖通信時代。

最近幾十年，纖維器件更是以發電、儲能、顯示等功能深刻改變人們的生活方式。但長期以來，纖維系統只能通過外接硬質芯片實現信息處理，不僅電路連接復雜不穩定，而且穿戴舒適性差。

“人體是軟組織，未來的腦機接口等新興領域需要適配柔軟的電子系統。”彭慧勝表示。沿著這個方向，研究團隊跳出傳統芯片硅基研究范式，提出設想：能不能把芯片“裝”進柔軟纖細的纖維里？

看似“天馬行空”的想法，源自長期深耕的底氣。此前，研究團隊突破電子器件傳統“三明治”結構范式，在國際上率先提出“纖維器件”新概念，至今已創建30多種纖維器件，相關成果7次登上《自然》，部分技術轉讓給國內頭部企業，率先建成發光纖維、纖維鋰離子電池等產線，初步實現在汽車、服裝等領域的應用。

但要實現纖維器件的更大規模化應用，必須攻克“芯片”這個核心難題。

【如同在頭發絲里“雕花”】

把芯片做進纖維里，難度如同在頭發絲里“雕花”。

第一個難關，是空間限制。纖維是曲面結構，且每厘米的表面積僅0.01-0.1平方厘米，要集成大量電子元件幾乎不可能。團隊另辟蹊徑，不局限于纖維表面，而是向內部空間要潛力，構建螺旋式多層電路，最大化利用纖維內部空間——按實驗室1微米光刻精度推算，1毫米長的纖維目前可集成1萬個晶體管，與一些商業醫用植入芯片相當；1米長纖維的晶體管集成量，可達到經典計算機中央處理器水平。

第二個難關，是光刻適配。傳統芯片依賴硅晶圓的平整表面，而構成纖維基底的彈性高分子材料表面像“崎嶇山地”，無法直接光刻。團隊用等離子刻蝕技術將其表面粗糙度降至1納米以下，達到商業光刻要求，打破了“芯片只能刻在硅片上”的傳統認知。

第三個難關，是穩定性挑戰。彈性高分子不耐光刻過程中溶劑侵蝕，電路層也扛不住纖維彎曲、拉伸的應變。于是，團隊在襯底上鍍了一層致密聚合物膜——像給電路穿上了“堅硬盔甲”，讓纖維芯片在復雜變形下仍能穩定工作。

歷時5年集中攻關，再加上此前數年的探索積累，團隊最終實現了每厘米10萬個晶體管的集成密度。更關鍵的是，其制備工藝與現有成熟光刻工藝有效兼容，為規模化制造打下基礎。

【“量身定制”的優勢】

歐盟戰略報告預估，智能纖維和織物領域未來全球市場規模將達萬億歐元級別。“我們不是要取代硅基芯片，而是希望能嘗試一個新的路徑。”陳培寧表示。

與傳統芯片相比，纖維芯片的優勢堪稱“量身定制”。

它柔性極佳，能彎曲、拉伸、扭曲，甚至經得住十幾噸卡車碾壓，按工業標準水洗數十次后性能依然穩定，在100℃高溫下也能正常工作。

它能實現“一根纖維就是一個微型電子系統”，在單根纖維上就可集成供電、傳感、顯示、信號處理等功能，比如無需外接模塊就能完成觸控顯示。

一根纖維就是一個微型電子系統

在腦機接口等關鍵領域，纖維芯片更展現出獨特價值。目前的腦機接口技術中，神經電極普遍需要連接硬質的外部信號處理模塊。而纖維芯片憑借與腦組織相當的柔軟特性，通過構建“檢測-處理-反饋”的閉環功能，有望實現更高效的信號檢測和實時干預，為腦科學研究和腦神經疾病診斷治療提供新工具。

此外，無需外接處理器，基于纖維芯片就能編織柔軟、透氣的電子織物，未來衣服可能變身“智能顯示屏”，實現動態像素顯示；在遠程醫療機器人手術等場景中，纖維芯片還可制成智能觸覺手套，精準模擬不同物體的力學觸感，提升人機交互體驗。

纖維芯片可制成智能觸覺手套

【交叉學科育出復合型人才】

論文共同第一作者、博士研究生王臻，本是高分子材料專業出身，剛接觸這一課題時對集成電路幾乎一無所知，“但空白也意味著沒有框架限制，我們可以大膽想象。”

另一位第一作者陳珂，最初想著要趕緊畢業，卻在拆解難題過程中發現了之前從未有過的樂趣。

值得一提的是，復旦大學的交叉學科土壤和濃厚氛圍，讓學生跳出單一專業的框架。2023年復旦成立纖維電子材料與器件研究院，有效整合了化學、材料、信息、醫學等多學科力量，搭建起“化學合成—器件構建—微納集成—中試驗證”全鏈條研究平臺。在這里，不同專業的師生可以充分互動交流，不經意間也許就擦出創新火花。

原標題：《腦機接口下一個突破口？復旦“纖維芯片”成果登上《自然》》

圖片來源：賴鑫琳

視頻采制：賴鑫琳

來源：作者：解放日報 黃海華