想象一下，未來我們穿的衣服不僅能保暖，還能像手機(jī)、電腦一樣處理信息；虛擬現(xiàn)實(shí)手套輕薄透氣，讓醫(yī)生遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)可擁有現(xiàn)場(chǎng)操作般的“觸覺”……這些看似科幻的場(chǎng)景，正因一項(xiàng)名為“纖維芯片”的原創(chuàng)成果而增加了早日實(shí)現(xiàn)的可能。

“纖維芯片”編織進(jìn)織物。  本文圖片均為 復(fù)旦大學(xué) 供圖

1月22日凌晨，國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》主刊發(fā)表了復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)的最新研究成果《基于多層旋疊架構(gòu)的纖維集成電路》，團(tuán)隊(duì)成功在柔軟的高分子纖維內(nèi)制造出大規(guī)模集成電路，創(chuàng)造出世界首款“纖維芯片”。這意味著，“芯片”第一次從“硬質(zhì)塊體”走向“柔軟纖維”，為未來智能織物、腦機(jī)接口、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)提供了新的技術(shù)支撐。

該研究得到國家自然科學(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。

成卷“纖維芯片”

“芯片”不再硬邦邦，團(tuán)隊(duì)在頭發(fā)絲般的纖維里“蓋高樓”

過去幾十年，芯片一直是電子設(shè)備的心臟，但它的形態(tài)普遍是硬質(zhì)塊狀的，必須安裝在電路板上，與人體柔軟的組織、可彎曲的衣物格格不入。復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)長期深耕“纖維電子材料與器件”領(lǐng)域，曾率先研制出纖維電池、織物顯示器等，讓衣物也能儲(chǔ)能、發(fā)光。然而，要讓纖維器件真正“智能”起來，信息處理功能必不可少，而傳統(tǒng)硬質(zhì)芯片無法與柔軟纖維系統(tǒng)兼容。

“纖維系統(tǒng)如果外接硬質(zhì)芯片，就像給衣服縫上一塊硬板，既不舒服也不穩(wěn)定?！闭撐耐ㄓ嵶髡哧惻鄬幗淌诒硎?。為此，他們決定挑戰(zhàn)這個(gè)領(lǐng)域公認(rèn)的“硬骨頭”和“無人區(qū)”難題：是否在纖維內(nèi)部直接造出“芯片”？

在纖維里造“芯片”，難度極大。纖維表面是曲面，且面積有限，如何集成足夠多的晶體管？團(tuán)隊(duì)跳出傳統(tǒng)思維，提出“多層旋疊架構(gòu)”：在纖維內(nèi)部像卷地毯一樣，層層疊疊構(gòu)建電路，最大限度利用內(nèi)部空間。

多層電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

技術(shù)上更是難關(guān)重重。傳統(tǒng)芯片在平整的硅片上光刻，而纖維表面在微觀層面“坑坑洼洼”，像在軟泥地上蓋高樓。團(tuán)隊(duì)探索發(fā)現(xiàn)，通過等離子刻蝕技術(shù)，可以將纖維表面粗糙度降至1納米以下，有效滿足光刻要求；又在纖維表面沉積一層叫做“聚對(duì)二甲苯”的保護(hù)膜，可以抵御光刻流程中的溶劑腐蝕，并在纖維彎曲時(shí)保護(hù)電路不被破壞。

“我們發(fā)展的制備方法，可以與現(xiàn)在成熟的光刻工藝有效兼容，具有規(guī)?；苽涞臐摿Α！?nbsp;陳培寧說。經(jīng)過5年攻關(guān)、前后十余年積累，團(tuán)隊(duì)終于成功在彈性高分子纖維中集成高密度晶體管，每厘米纖維可集成10萬個(gè)晶體管，信息處理能力已與一些商用植入式醫(yī)療芯片相當(dāng)。

打結(jié)、水洗、卡車碾壓后保持性能穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊

與傳統(tǒng)芯片相比，“纖維芯片”不僅功能強(qiáng)大，更擁有獨(dú)特的“柔軟特質(zhì)”，就像衣服里的普通纖維一樣。實(shí)驗(yàn)顯示，它可以被彎曲到1毫米的曲率半徑，甚至拉伸、打結(jié)也不影響性能；經(jīng)過水洗、高低溫考驗(yàn)，甚至被十幾噸重的卡車碾壓后，依然穩(wěn)定工作。

“纖維芯片”打結(jié)圖

卡車碾壓穩(wěn)定測(cè)試

這意味著，“纖維芯片”可以像普通紗線一樣編織進(jìn)布料，制成真正“全柔性”的電子織物。團(tuán)隊(duì)已在一根纖維上同時(shí)集成供電、傳感、顯示與信息處理功能，實(shí)現(xiàn)觸摸發(fā)光、圖案顯示等交互效果，且無需外接硬質(zhì)芯片或電池。

纖維發(fā)光圖

復(fù)旦科研團(tuán)隊(duì)的這一成果為纖維電子系統(tǒng)集成提供全新路徑，在腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興領(lǐng)域展現(xiàn)獨(dú)特應(yīng)用前景。

腦機(jī)接口應(yīng)用示意圖和實(shí)物圖

目前商業(yè)腦機(jī)接口電極普遍需要外接處理設(shè)備?；凇袄w維芯片”，可制成比頭發(fā)絲更細(xì)的柔性電子系統(tǒng)，將其植入腦部后，既能檢測(cè)神經(jīng)信號(hào)，又能實(shí)時(shí)處理，甚至有望實(shí)現(xiàn)“感知-處理-刺激”閉環(huán)。“未來或許能更精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)腦內(nèi)化學(xué)和電信號(hào)，為帕金森、癲癇等腦部疾病治療提供新工具?！?論文第一作者王臻表示。

“我們希望，未來的衣服可以成為你的手機(jī)或電腦?！标惻鄬幷故玖藞F(tuán)隊(duì)目前正在開展的研究工作，將“纖維芯片”與其他功能纖維器件集成，得到“智能衣服”，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示與交互。這樣的“智能衣服”穿著體驗(yàn)與普通衣物無異，卻具備信息處理與通信能力。

現(xiàn)有VR觸覺手套多依賴外接硬質(zhì)模塊，笨重且不精確?；凇袄w維芯片”的觸覺手套輕薄如普通手套，卻能集成大量傳感單元，精準(zhǔn)模擬不同物體的觸感，在遠(yuǎn)程手術(shù)、虛擬訓(xùn)練等領(lǐng)域潛力巨大。

“纖維芯片”仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，推動(dòng)落地應(yīng)用

“我們不是要替代現(xiàn)有硅基芯片，而是希望能為這個(gè)領(lǐng)域提供一點(diǎn)新思路。”彭慧勝表示。目前芯片產(chǎn)業(yè)正加大投入研發(fā)“納米級(jí)”制程技術(shù)，“纖維芯片”從材料、結(jié)構(gòu)到應(yīng)用場(chǎng)景與傳統(tǒng)芯片都有所不同，有可能為我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展催生一個(gè)新賽道。

團(tuán)隊(duì)表示，“纖維芯片”目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，還有很多工作要做，未來將通過多學(xué)科交叉融合創(chuàng)新，進(jìn)一步提升集成度與性能，并推動(dòng)落地應(yīng)用。

“纖維芯片”編織進(jìn)織物

這項(xiàng)工作背后，是團(tuán)隊(duì)近十年的堅(jiān)持。彭慧勝表示，最初只是覺得“把硬芯片做軟挺好玩的”，但真正做起來“太難了”。這項(xiàng)工作的完成，離不開團(tuán)隊(duì)成員的通力協(xié)作和努力堅(jiān)持?！盁釔酆秃闷嫘氖侵挝覀兛朔щy的原動(dòng)力。” 博士生王臻說。

這項(xiàng)工作涉及材料合成制備、電子器件構(gòu)建、電路設(shè)計(jì)集成和生物應(yīng)用等，需要化學(xué)、信息、電子、醫(yī)學(xué)等不同學(xué)科研究手段。團(tuán)隊(duì)所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來已經(jīng)形成了一支多學(xué)科交叉研究隊(duì)伍，建立了涵蓋化學(xué)合成、器件構(gòu)建、光刻微納加工和中試概念驗(yàn)證的全鏈條研究平臺(tái)，對(duì)這項(xiàng)工作提供了有力支撐。此外，得益于復(fù)旦大學(xué)多學(xué)科優(yōu)勢(shì)，該工作還得到了來自校內(nèi)聚合物分子工程全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、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、電鏡中心和中山醫(yī)院等團(tuán)隊(duì)的通力協(xié)作。

從纖維電池到纖維顯示，再到今天的“纖維芯片”，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)一步步將“智能織物”從概念推向現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)登頂《自然》的成果，不僅是一項(xiàng)技術(shù)突破，更展示了一個(gè)即將到來的全新人機(jī)交互場(chǎng)景。