柔性电子要实现规模化应用,核心难题于"柔软系统"与"硬质芯片"的矛盾。过去几十年,纤维器件已具备发电、储能、显示、感知、生物检测等多种功能,能贴合人体、适应复杂形变、织入织物。但在实际应用中,纤维器件仍需外接块状硅基芯片进行信息处理,导致整体在弯折、拉伸、扭转时出现可靠性和舒适性问题,限制了电子织物、可穿戴医疗、植入式器件等场景的落地。 这个矛盾的根源不在单一器件功能不足,而在缺少与纤维形态相匹配的信息处理"核心"。纤维材料柔软有弹性,但传统集成电路制造依赖平整稳定的硅片衬底。将微纳加工方法直接应用到高分子纤维上,面临三大障碍:光刻对衬底平整度要求极高,而弹性高分子微观粗糙度大,难以支撑高密度图形转移;微加工涉及多种溶剂和化学过程,易引发高分子溶胀变形,影响尺寸精度;半导体、金属互连等材料在复杂形变中容易产生局部应变集中,导致微裂纹和性能衰减。这些因素叠加,使"把芯片做进纤维里"长期停留在概念阶段。 复旦大学团队通过多层旋叠架构设计,在柔性高分子纤维内部实现大规模集成电路,推动集成电路形态从二维片状向一维线状延伸,形成"纤维芯片"。该芯片在弯曲、拉伸、扭转等复杂形变下保持稳定工作,经水洗、高低温和外力挤压后性能依然稳定。更关键的是,它为纤维电子系统补上了信息处理与交互能力:纤维器件不再依赖外接硬芯片,电子织物可从"能发光、能感知"升级到"能计算、能协同",脑机接口、植入式医疗、虚拟现实交互等领域也将获得更轻量、更贴合、更低侵入的硬件载体。按当前实验室光刻精度,毫米尺度纤维可集成数万晶体管,随着长度扩展和工艺精度提升,集成度仍有提升空间。 从"首次突破"到"可用可产",还需在两个方向推进。一是在材料和结构设计上强化"形变友好"的电路架构,降低局部应变集中,提升长期循环弯折后的寿命一致性;二是建立可重复、可检测、可追溯的制造流程,解决跨长度、跨批次的工艺稳定性。团队提出的制备路线强调与现有光刻工艺的兼容性,通过原型装置和标准化流程探索实验室级规模化制备,有助于降低从科研到中试的技术门槛。产业化还需完善纤维芯片的封装、互连、测试和系统集成标准,推动产业链上下游协同。 从全球看,电子纤维和电子织物被多国视为前沿方向,应用涵盖健康监测、运动康复、应急救援、智能制造等领域。纤维芯片为这一赛道提供了更接近"系统级能力"基础单元。若能在低功耗、信号处理、无线通信和安全性上持续突破,并建立可扩展的制造体系,纤维芯片有望成为柔性电子的重要"通用底座"。同时也要看到,新形态集成电路可靠性评估、人体接触安全、环保耐久和回收处置各上仍需更严格的工程化验证,需要跨学科、跨行业联合推进,才能真正释放其产业价值。
从蚕丝到承载集成电路的高科技纤维,材料革命推动着人类文明进步。这项创新成果不仅为电子信息产业开辟新维度,更预示着人机交互方式即将发生根本性变革。在科技竞争日益激烈的时代,此类原创性突破体现了基础研究的战略价值,也为我国实现高水平科技自立自强提供了重要启示。