1月22日，国际权威学术期刊《自然》发表了一项来自中国研究团队的原创技术突破。研究人员突破传统硅基芯片范式，在一根比头发丝更细的纤维里构建起高密度集成电路，在国际上率先研制出“纤维芯片”。
这项原创研究成果来自聚合物分子工程全国重点实验室，复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系、先进材料实验室彭慧胜、陈培宁团队。该“纤维芯片”的信息处理能力与一些经典商业芯片相当，且具有高度柔软、适应拉伸扭曲等复杂形变、可编织等独特优势，有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等未来产业提供关键支撑。
此前，研究团队已经在国际上率先提出“纤维器件”新概念，并已创建30多种纤维器件，相关成果7次登上《自然》，部分技术转让给国内头部企业，率先建成发光纤维、纤维锂离子电池等产线，初步实现在汽车、服装等领域的应用。
但要实现纤维器件的更大规模化应用，必须攻克“芯片”的核心技术壁垒，包括空间限制、光刻适配以及稳定性挑战。
过去的芯片开发依托于硅基，如何在高分子材料上开发出芯片？为此，研究人员另辟蹊径，参考了“卷寿司”的想法，不局限于纤维表面，构建了螺旋式多层电路，极大提升了空间利用率。按实验室1微米光刻精度推算，1毫米长的纤维目前可集成1万个晶体管，与一些商业医用植入芯片相当；1米长纤维的晶体管集成量，可达到经典计算机中央处理器水平。在纤维内部构建螺旋式多层电路，理论上，1毫米长的纤维可集成约1万个晶体管。经过多年攻关，团队最终实现了每厘米10万个晶体管的集成密度。
更关键的是，其制备工艺与现有成熟光刻工艺有效兼容，为规模化制造打下基础。团队使用等离子刻蚀技术将其表面粗糙度降至1纳米以下，达到商业光刻要求，打破了“芯片只能刻在硅片上”的传统认知。
复旦大学纤维电子材料与器件研究院高分子科学系陈培宁教授表示：“我们希望这种新的研究思路能给芯片产业提供一种新的借鉴，有可能向另外一个赛道去发展。”他还称，未来可穿戴是一个重要的方向和领域，纤维是一个非常理想的载体。
“纤维芯片”并非为了取代传统硅基芯片，而是开辟了全新的应用路径，其优势在于极佳的柔韧性与集成度。这种新型芯片材料柔性极佳，能弯曲、拉伸、扭曲，甚至经得住十几吨卡车碾压，按工业标准水洗数十次后性能依然稳定，在100℃高温下也能正常工作。
基于“一根纤维就是一个微型电子系统”的设计理念，在单根纤维上就可集成供电、传感、显示、信号处理等功能。这意味着无需外接处理器，基于纤维芯片就能编织柔软、透气的电子织物。这为将来的商业化应用提供了极大的想象空间——比如未来的衣服可能变身“智能显示屏”，实现动态像素显示；在远程医疗机器人手术等场景中，纤维芯片还可制成智能触觉手套，精准模拟不同物体的力学触感，提升人机交互体验。
复旦大学先进材料实验室博士研究生王臻表示：“利用这种全柔性的纤维智能交互手套，可以在远程手术操作的时候，让医生手的触觉更加灵敏，不会受到硬质模块的干扰。以后脑机接口植入后，也不需要任何的外部设备，可以自主实现数据的收集、运算以及分析，最终和大脑形成闭环。”
这一芯片材料领域的突破也让医疗器械开发者为之惊喜。微光医疗创始人CEO朱锐对第一财经记者表示：“纤维芯片未来有望改变植入医疗器械的规则，把电路和信号传输集成到一个纤维材料上，将极致压缩体积，这是为生物体内器械植入量身打造的。”
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钱童心
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