復(fù)旦2026開年頂刊，“纖維芯片”問世！

你能否想象

未來的衣服能直接播放視頻

手套能精準(zhǔn)模擬觸感

甚至一根細(xì)如發(fā)絲的纖維

就能完成腦電信號(hào)的探測(cè)與處理？

復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、

高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、

聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

彭慧勝、陳培寧團(tuán)隊(duì)

突破傳統(tǒng)芯片硅基研究范式

率先提出并制備“纖維芯片”

在彈性的高分子纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路

成功將供電、傳感、顯示、信號(hào)處理等多功能

集成于一根纖維之內(nèi)

為纖維電子系統(tǒng)開辟全新的集成路徑

柔軟的“纖維芯片”在手指上打結(jié)照片

該成果于北京時(shí)間1月22日凌晨

以《基于多層旋疊架構(gòu)的纖維集成電路》

（“fibre integrated circuits by multilayered spiral architecture”）

為題發(fā)表于《自然》（nature）期刊

有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)

提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐

01

從單一器件到高密度集成電路，

開辟“纖維芯片”新賽道

從蠶絲、金屬導(dǎo)線再到通信光纖，纖維材料的每一次進(jìn)步，都推動(dòng)著人類文明的變革。纖維電子器件，因其在信息、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，一直備受學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。

“傳統(tǒng)芯片是硬質(zhì)、片狀的，能不能把它做成柔軟的纖維？我們覺得這個(gè)想法很有趣。”彭慧勝介紹。早在十多年前，團(tuán)隊(duì)就關(guān)注到可穿戴設(shè)備的巨大潛力，持續(xù)探索纖維器件的各種可能。

從纖維太陽(yáng)能電池、纖維鋰電池起步，彭慧勝團(tuán)隊(duì)十幾年來逐步拓展出包括發(fā)光、顯示、儲(chǔ)能、生物傳感等在內(nèi)的30多種功能纖維器件，相關(guān)成果7次登上《自然》（nature）主刊，部分技術(shù)已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品落地并在汽車等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

纖維電池織物

發(fā)光纖維織物

隨著研究深入，一個(gè)關(guān)鍵問題浮現(xiàn)出來：就像手機(jī)、電腦離不開芯片，將不同功能纖維器件形成完整的系統(tǒng)，具備信息交互功能，也必須有自己的“大腦”——一個(gè)能夠處理信息的核心芯片。然而長(zhǎng)期以來，纖維系統(tǒng)的集成普遍依賴連接硬質(zhì)芯片電路板，這與纖維本身柔軟、透氣、可編織的特點(diǎn)格格不入。

“帶硬質(zhì)電路板的纖維系統(tǒng)，穿戴舒適性差、連接不穩(wěn)定、體內(nèi)植入安全性風(fēng)險(xiǎn)大，這讓我們意識(shí)到，必須把信息處理模塊也做成纖維形態(tài)。”陳培寧說。帶著這樣的想法，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地提出了“纖維芯片”的概念，從2020年起，在研發(fā)織物顯示器件的同時(shí)，同步啟動(dòng)“纖維芯片”的攻關(guān)。

“纖維芯片”概念圖

“芯片的信息處理能力依賴于高度互連的復(fù)雜電路，要在彈性高分子纖維里實(shí)現(xiàn)，極具挑戰(zhàn)。”陳培寧解釋。傳統(tǒng)芯片的光刻工藝普遍依賴平整的硅晶圓襯底，而纖維不僅具有曲面結(jié)構(gòu)，表面積極小，用于制備纖維器件的彈性高分子基底，也很難耐受光刻過程中的各類極性溶劑，同時(shí)還要保證在拉伸、扭轉(zhuǎn)等變形中保持電路穩(wěn)定。

研究一度陷入僵局，直到一次靈感閃現(xiàn)。團(tuán)隊(duì)跳出“僅利用纖維表面”的慣性思維，提出多層旋疊架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，即在纖維內(nèi)部構(gòu)建多層集成電路，形成螺旋式旋疊結(jié)構(gòu)，從而最大化地利用纖維內(nèi)部空間。“我們借鑒‘卷壽司’的方法，先在彈性高分子表面完成高精度微納加工，再把它‘卷’成纖維形態(tài)，形成多層旋疊架構(gòu)。”論文共同一作、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室博士研究生王臻形容道。

“纖維芯片”顯示多層旋疊架構(gòu)的三維重構(gòu)熒光標(biāo)記照片

經(jīng)過近五年摸索、幾代學(xué)生接力攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)先后攻克了高分子表面平整化、耐溶劑侵蝕、形變下電路穩(wěn)定等多個(gè)技術(shù)難題，最終成功制備出具有信息處理功能的“纖維芯片”。

這款“纖維芯片”不僅保持了纖維柔軟、可編織的本征特性，更實(shí)現(xiàn)了電阻、電容、二極管、晶體管等電子元件的高精度互連，光刻精度達(dá)到了實(shí)驗(yàn)室級(jí)光刻機(jī)最高水平。這意味著，基于“纖維芯片”，未來可將發(fā)光、傳感等模塊直接集成在一根纖維上，形成無需外接設(shè)備的全閉環(huán)系統(tǒng)，甚至實(shí)現(xiàn)自供能。

“纖維芯片”及其內(nèi)部局部電路光學(xué)照片

02

在柔軟纖維里“蓋高樓”，

實(shí)現(xiàn)晶體管高密度集成

“在彈性高分子上做高密度集成電路，好比在坑坑洼洼的軟泥地上蓋高樓，還要讓高樓經(jīng)得起拉伸扭曲。”回憶研發(fā)歷程，陳培寧道出了兩大核心挑戰(zhàn)。

首先是表面平整度。傳統(tǒng)硅基芯片的襯底粗糙度非常低，而常用彈性高分子的表面粗糙度一般在幾十納米，微觀上極度凹凸不平。團(tuán)隊(duì)嘗試了多種方法，最終通過等離子刻蝕技術(shù)，成功將彈性高分子表面粗糙度降至1納米以下，“相當(dāng)于把軟泥地打磨平整，為蓋樓打下了地基。”

其次是溶劑侵蝕和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。光刻過程中使用的多種極性溶劑會(huì)讓彈性高分子材料發(fā)生溶脹變形，導(dǎo)致前期制備的平整表面功虧一簣。經(jīng)過多種嘗試，團(tuán)隊(duì)最終鎖定了一類叫做聚對(duì)二甲苯的高分子材料，通過沉積工藝，它可以在彈性襯底表面形成致密膜層，形成“硬-軟異質(zhì)結(jié)構(gòu)”，不僅有效抵御溶劑侵蝕，還能減小電路層應(yīng)變，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，如同給電路層穿上了“防護(hù)衣”。

成卷“纖維芯片”和局部細(xì)節(jié)照片

“我們的制備方法可以與現(xiàn)有光刻工藝兼容，有望高效對(duì)接產(chǎn)業(yè)。”陳培寧介紹，團(tuán)隊(duì)通過研制原型裝置，建立了標(biāo)準(zhǔn)化制備路線，初步實(shí)現(xiàn)“纖維芯片”的實(shí)驗(yàn)室級(jí)規(guī)模化制備。制備出的“纖維芯片”可承受1毫米半徑彎曲、20%拉伸形變，水洗、卡車碾壓后性能依然穩(wěn)定。

“纖維芯片”在卡車碾壓時(shí)保持性能穩(wěn)定

通過晶體管與電容、電阻等電子元件高效互連，“纖維芯片”可實(shí)現(xiàn)數(shù)字、模擬電路運(yùn)算等功能，集成有機(jī)電化學(xué)晶體管后，還可完成神經(jīng)計(jì)算任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)推算顯示，按照目前實(shí)驗(yàn)室級(jí)1微米的光刻加工精度，長(zhǎng)度為1毫米的“纖維芯片”可集成數(shù)萬個(gè)晶體管，其信息處理能力可與一些醫(yī)療植入式芯片相當(dāng)。若“纖維芯片”長(zhǎng)度擴(kuò)展至1米，其集成晶體管數(shù)量有望提升至百萬級(jí)別，達(dá)到與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中央處理器相當(dāng)?shù)募伤健?/p>

10w個(gè)晶體管每cm光鏡圖

這項(xiàng)技術(shù)突破融合了多學(xué)科智慧，得到了復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)創(chuàng)新學(xué)院、電鏡中心及附屬中山醫(yī)院等多個(gè)團(tuán)隊(duì)的支持。

03

腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)，

柔性“芯纖”未來可期

“一根頭發(fā)絲粗細(xì)的纖維，就能集成傳感、處理、刺激反饋等閉環(huán)功能，這在過去是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。”陳培寧表示，這項(xiàng)研究成果有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域變革發(fā)展提供有力支撐。

在腦機(jī)接口領(lǐng)域，“纖維芯片”有望破解傳統(tǒng)設(shè)備瓶頸，為腦科學(xué)研究和腦神經(jīng)疾病治療提供新的工具。目前，腦機(jī)接口的神經(jīng)探針需連接外部信號(hào)處理模塊，基于“纖維芯片”，可在直徑低至50微米的超細(xì)纖維上，集成1024通道/厘米的高密度傳感—刺激電極陣列與信號(hào)預(yù)處理電路，其柔性與腦組織相當(dāng)，生物相容性良好，采集的神經(jīng)信號(hào)信噪比達(dá)7.5db，與商用設(shè)備持平。“通過持續(xù)攻關(guān)，有望在一根纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多更復(fù)雜的閉環(huán)功能。”陳培寧說。

在腦機(jī)接口領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖和纖維系統(tǒng)實(shí)物光學(xué)照片

在電子織物方面，“纖維芯片”能讓普通衣物變身“交互屏”。“過去的織物顯示只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的圖案，要做動(dòng)態(tài)視頻、觸控交互，沒有信息處理模塊是不行的。”論文共同一作、高分子科學(xué)系博士研究生陳珂介紹，借助“纖維芯片”的有源驅(qū)動(dòng)電路，單根纖維可集成高密度像素點(diǎn)陣列。這意味著，人們今后或許無需掏出手機(jī)，袖口就能顯示導(dǎo)航；運(yùn)動(dòng)時(shí)，衣服可實(shí)時(shí)顯示生理健康數(shù)據(jù)、甚至播放視頻。

在單根纖維上實(shí)現(xiàn)多功能一體化集成的示意圖和實(shí)物照片

在單根纖維上實(shí)現(xiàn)觸控顯示的信息交互功能

在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，“纖維芯片”也能發(fā)揮重要作用。傳統(tǒng)觸覺交互手套依賴硬質(zhì)傳感器和芯片，難以緊密貼合皮膚，在遠(yuǎn)程手術(shù)等精細(xì)操作中存在局限。基于“纖維芯片”的智能觸覺手套兼具全柔性與透氣性，可集成高密度傳感與刺激陣列，更精準(zhǔn)模擬不同物體的力學(xué)觸感。

在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖和概念原型照片

“醫(yī)生戴著它做遠(yuǎn)程手術(shù)，能清晰感知臟器硬度；游戲玩家佩戴時(shí)，能逼真觸摸虛擬道具，就像擁有了‘第二皮膚’。”王臻解釋道。目前，團(tuán)隊(duì)正與附屬中山醫(yī)院科研團(tuán)隊(duì)合作，探索將“纖維芯片“技術(shù)應(yīng)用到心血管介入器械中，有望輔助醫(yī)生更精準(zhǔn)地完成手術(shù)。

展望未來，團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)一步加強(qiáng)跨學(xué)科協(xié)作與產(chǎn)業(yè)合作，通過材料與工藝的優(yōu)化，提升芯片良率和集成度，推動(dòng)“纖維芯片”在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量應(yīng)用。“長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，我們希望有一天，基于‘纖維芯片’的電子織物，能像手機(jī)、電腦一樣進(jìn)行高效的信息交互。”陳培寧說。

團(tuán)隊(duì)合影

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委等項(xiàng)目支持。復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院、高分子科學(xué)系、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授彭慧勝、陳培寧為本論文通訊作者，博士研究生王臻、陳珂和博士后施翔為共同第一作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09974-0

纖維電子材料與器件研究院

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校融媒體中心

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殷夢(mèng)昊 丁超逸

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戚心茹 殷夢(mèng)昊 受訪者提供

視 頻

韓佳珉 戚心茹

編 輯

鄭藝

責(zé) 編

殷夢(mèng)昊

上觀號(hào)作者：復(fù)旦大學(xué)