我国自主研发"纤维芯片"取得重大突破 柔性集成电路有望赋能智能穿戴产业

长期以来,芯片与纤维材料之间存在一道“形态鸿沟”。

人们期望衣物可显示图像、手套可还原触觉、纤维可在贴近人体的场景中完成信号采集与处理,但现实中多数可穿戴与电子织物系统仍依赖硬质芯片与电路板作为核心算力与控制单元。

硬质器件虽性能成熟,却在弯折、拉伸、扭曲以及透气、贴肤、可编织等需求面前显得笨重,成为制约纤维电子从“可用”走向“好用”的关键瓶颈。

造成这一瓶颈的根本原因,在于传统集成电路的材料与工艺体系建立在硅基、刚性平面与稳定几何结构之上。

将高密度电路移植到弹性高分子纤维中,意味着要在柔软且易形变的微尺度曲面上实现多层器件结构、精细互连与稳定电学性能,同时还要抵御制造过程中溶剂、热处理与机械应变对器件的综合冲击。

简言之,纤维需要“像布一样柔软”,芯片需要“像芯片一样精密”,两者兼得难度极高。

面向这一难题,复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系彭慧胜、陈培宁团队提出“纤维芯片”概念,突破以硅基为主的传统范式,通过多层旋叠架构将集成电路“做进纤维里”。

团队自2020年起在推进织物显示器件研发的同时同步开展攻关,围绕弹性高分子表面平整化、耐溶剂侵蚀、电路层在形变条件下的结构稳定等关键环节持续迭代,形成可在弹性高分子上直接进行光刻并实现高精度互连的制备路线,使电阻、电容、二极管、晶体管等元件得以在纤维载体上可靠集成,相关研究成果于1月22日发表于《自然》主刊。

从影响层面看,“纤维芯片”的意义不仅在于把电路做小,更在于把“计算与控制”从硬质模块中解放出来,融入可编织、可贴肤的材料体系之中。

其信息处理能力可与部分经典商业芯片相当,同时保持纤维的柔软、可拉伸与可扭曲等特性,为构建“传感—处理—反馈”一体化的闭环系统提供了新路径。

以单根发丝般的纤维为载体,未来有望把信号采集、实时处理与刺激反馈集成于同一结构内,使电子织物从“外围设备”向“自带大脑的系统”演进。

在产业侧,这一突破有望带动多条新赛道的关键环节升级。

对电子织物而言,纤维形态的信息处理单元可减少外接硬质模块依赖,提升穿戴舒适性与系统可靠性,并为规模化织造与模块化集成提供更贴近纺织工艺的技术基础。

对脑机接口等人体信号相关应用而言,柔性、贴合与长时间佩戴的需求十分突出,若能实现纤维级别的稳定采集与处理,将为更低侵入、更自然交互的方案打开想象空间。

对虚拟现实、具身智能等方向,触觉、运动与环境感知需要大量分布式传感与就地处理,纤维芯片的可编织特性有望支持“全身分布式计算”的新型硬件形态,推动交互体验和系统响应能力提升。

同时也应看到,从实验室成果走向广泛应用仍需跨越多重关口。

一是制造一致性与良率问题,纤维载体的形变特性和微结构复杂性对工艺窗口提出更高要求;二是可靠性验证体系亟待完善,包括长期拉伸扭曲循环、汗液与洗涤环境、温湿度变化等真实使用场景下的性能保持;三是与纺织、封装、供电、通信等系统环节的协同仍需标准化支撑,避免“能做出来但难以量产、难以维护”的问题。

对此,建议以应用牵引与平台化工程攻关并重:一方面围绕医疗健康监测、工业安全防护、特殊作业服等可形成示范的场景开展试点;另一方面推动材料、工艺、测试评价与行业标准协同建设,促进科研成果与产业链条高效衔接。

展望未来,柔性电子正从单一器件向系统化、网络化、可制造化迈进。

纤维芯片若能在规模制造、可靠性与系统集成上持续突破,将可能重塑可穿戴设备与智能纺织品的基础架构,使“衣物即终端、纤维即系统”的路径更具现实可行性,并为我国在柔性电子与新型信息器件领域培育新的技术优势与产业增长点提供支撑。

从追赶者到领跑者,中国科学家用纤维编织出的不仅是一条技术新赛道,更展现出突破思维边界的创新勇气。

当计算芯片突破"硬质"的物理桎梏,融入纺织品的经纬之间,或许正预示着人机交互将迎来全新的"柔性时代"。

这一跨越材料学、电子学、纺织学等多学科的突破,也为解决关键领域"卡脖子"问题提供了"弯道超车"的中国方案。