中国科学家研制纤维芯片突破柔性电子瓶颈 可编织芯片性能媲美商业产品

一段时间以来,集成电路持续向更高性能、更低功耗、更小尺寸演进,但传统硅基芯片依托硬质基板制造与封装,难以适应人体组织、织物表面等复杂可变形环境。

尤其在脑机接口等应用中,硬探针与软组织长期共存带来的损伤、炎症反应与信号衰减,成为制约临床推广的重要因素。

如何在“高集成度”与“高柔顺性”之间取得兼顾,是柔性电子与神经工程共同面对的关键问题。

此次复旦大学彭慧胜、陈培宁团队提出的思路,是把“芯片做在板上”转变为“电路长在纤维上”。

团队以纤维为载体,通过工艺优化在弹性高分子表面构建可用于微纳加工的超平整界面,并结合刻蚀等手段在细径纤维上形成集成电路结构;同时引入薄层保护材料,为器件提供耐化学腐蚀与应变缓冲能力,提升在弯折、拉伸、扭转等机械形变下的稳定性。

与将元件“嵌入”织物不同,这一路线强调从源头实现“可织入”的电路形态,使纤维既是结构材料,也是电子功能载体。

从实验指标看,该纤维芯片实现了较高晶体管密度(10万个/厘米),并可在高频次弯折后保持性能稳定,为“高性能柔性电子”提供了工程化样本。

更值得关注的是其在神经信号应用中的系统能力:在约50微米直径纤维上集成1024个传感通道,实现神经信号的采集、处理与反馈刺激的闭环功能,信号质量指标与商用设备接近。

业内普遍认为,闭环能力是脑机接口从“读出”走向“调控”的关键门槛,可为帕金森病震颤控制、抑郁症等神经调控治疗提供新的器件方案与系统路径。

这一突破的影响不止于单一场景。

其一,在医疗健康领域,柔软、细径、可与组织力学匹配的器件形态,有望降低长期植入的异物反应,提高信号稳定性与使用寿命;闭环调控则有助于从“定时刺激”转向“按需刺激”,提升治疗精细化程度。

其二,在智能穿戴与人机交互领域,纤维芯片可与纺织工艺天然融合,为大面积、可变形、可清洗的传感与显示带来可能。

团队已展示在单根纤维上实现高密度像素阵列的能力,为织物显示、多点触控等交互形态提供了技术基础。

其三,在虚拟现实与远程操作方面,更轻薄的触觉与力反馈系统有望提升沉浸感与操控精度,在康复训练、工业维护与远程医疗等场景拓展想象空间。

从原因层面分析,纤维芯片之所以引发关注,根本在于其有望开辟与“堆叠、更小线宽”不同的另一条路线:当部分应用对“形态适配”与“可靠柔性”提出硬性需求时,芯片的价值不再只由制程节点衡量,还取决于能否进入衣物、皮肤与器官等新载体。

加之该团队提出的制备路线强调与现有微纳加工体系的兼容性,意味着未来若能在良率、规模化一致性、封装连接与可靠性验证等环节取得突破,将更容易与产业链形成对接,降低从实验室走向工程应用的门槛。

当然,面向产业化仍需系统推进。

首先,纤维尺度的器件一致性、批量制备良率与长期稳定性验证,是从论文指标走向产品指标的关键;其次,纤维芯片与外部电源、通信与算法系统的集成,涉及材料、封装、纺织制造和医疗器械合规等多学科协同;再次,脑机接口等医疗应用还需经历动物与临床层面的充分评估,兼顾疗效、风险与伦理规范。

对此,业内建议在持续攻关核心工艺的同时,加快建立面向柔性/纤维电子的可靠性测试标准与评价体系,推动“材料—器件—系统—应用”贯通式研发,并通过产学研合作提前布局可制造性与可维护性。

展望未来,随着柔性电子、神经工程与新型显示交叉融合,纤维芯片可能在两个方向率先形成突破:一是医疗康复与神经调控等高价值场景,通过闭环系统提升治疗效果与个体化水平;二是新一代可穿戴与织物交互平台,让传感、显示与计算从“附着在衣物上”走向“生长在纤维里”。

在硅基芯片持续逼近物理与成本边界的背景下,这类形态创新也为我国在新赛道形成先发优势提供了现实机遇。

从实验室的纤维芯片到未来生活的智能织物,这项突破不仅重新定义了电子设备的形态边界,更彰显了我国在新材料与信息技术交叉领域的创新实力。

当科技如织物般轻柔融入日常生活,人类与数字世界的交互方式正在被中国科学家重新书写。

这场静默的材料革命,或将成为全球半导体产业格局变革的重要转折点。