复旦团队研制“纤维芯片”登上《自然》:把高密度电路织进丝线为柔性电子开新路

传统芯片技术长期依赖硅基衬底和光刻制造工艺,其刚性特征限制了在柔性、可穿戴等新兴领域的应用。

如何在柔软、弹性的高分子纤维内实现高密度集成电路,成为摆在科研工作者面前的重大课题。

复旦大学研究团队通过创新设计思路,提出了多层旋叠架构方案,在纤维内部而非仅在表面构建集成电路,形成螺旋式旋叠结构,从而最大化利用纤维内部空间。

这一突破的核心在于集成密度的实现。

研究表明,"纤维芯片"中的晶体管集成密度达到每厘米十万个,通过高效互连可实现数字、模拟电路运算等功能。

按照目前实验室级一微米光刻精度预测,长度为一毫米的"纤维芯片"可集成一万个晶体管,其信息处理能力可与部分植入式医疗芯片相当。

若纤维长度扩展至一米,集成晶体管数量有望达到百万级别,接近经典计算机中央处理器的集成水平。

相比传统芯片,"纤维芯片"展现出显著的性能优势。

其具有优异的柔性特征,可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变,即使经过水洗、高低温、卡车碾压等极端环境考验,仍能保持性能稳定。

这种稳定性和柔性的结合,为其在实际应用中的可靠性提供了保障。

制备工艺的可行性同样值得关注。

研究团队开发的制备方法与现有芯片产业中的成熟光刻制造工艺有效兼容,通过研制原型装置、设计标准化制备流程,初步实现了"纤维芯片"的可规模化制备,这为其从实验室走向产业化奠定了基础。

在应用前景方面,"纤维芯片"为纤维电子系统集成开辟了全新路径。

研究团队基于该技术,在单根纤维上实现了供电、传感、显示、信号处理等功能的一体化集成,使纤维系统无需连接任何外部控制或供能模块即可自主运行。

在脑机接口领域,传统方案的电极需要连接硬质的外部信号处理模块,存在体积大、舒适度低等问题。

基于"纤维芯片"技术,有望在一根头发丝般细的纤维内集成"传感—信号处理—刺激输出"的闭环功能系统,大幅提升脑机接口的实用性和舒适度。

电子织物被视为可穿戴设备的终极发展形态,其核心挑战在于实现全柔性系统。

"纤维芯片"的出现为这一目标提供了解决方案。

无需外接处理器,可直接编织构建柔软、透气的全柔性电子织物系统。

借助"纤维芯片"内置的有源驱动电路,可在织物中实现动态像素显示,使普通衣物具备信息交互功能。

在虚拟现实和远程医疗领域,触觉接口设备目前仍依赖块状硬质信号处理模块,导致与皮肤贴合度不足,难以实现精准的信号采集与输出。

基于"纤维芯片"构建的智能触觉手套兼具高柔性与透气性,可集成高密度传感与刺激阵列,精准模拟不同物体的力学触感,在远程手术、虚拟道具交互等精细操作场景中具有广阔应用前景。

研究团队表示,后续将围绕"纤维芯片"研究与来自不同学科的学者协同攻关,通过合成制备先进半导体材料,进一步提升器件集成密度和信息处理性能,以满足更复杂的应用场景需求。

从"中国芯"到"纤维芯",这项突破不仅展现了我国在基础研究领域的创新能力,更预示着电子信息技术正从刚性时代迈向柔性纪元。

当计算单元能够像棉线般融入日常生活,人机交互的边界将被重新定义,这或许正是未来智能社会的重要基石。