长期以来,芯片作为电子设备的核心部件,主要以硬质块体形态存在,需要安装在电路板等刚性载体上。
随着可穿戴设备、柔性医疗器械、智能纺织品等需求快速增长,传统硬质芯片与人体组织、衣物等柔性载体在形态与力学性能上的不匹配日益凸显:外接硬质器件不仅影响穿戴舒适性,也容易在弯折、拉伸和洗涤过程中引发连接失效,制约“全柔性”系统走向实用。
造成这一矛盾的根本原因在于信息处理环节难以柔性化。
过去的纤维器件研究已能在储能、发光、传感等方面取得进展,但要实现更复杂的交互与自治运行,离不开高密度晶体管构成的集成电路。
纤维作为圆柱曲面结构,空间有限、表面微观起伏明显,若沿用平面硅片的制造方式,光刻对平整度与材料耐受性的要求难以满足。
换言之,把“芯片”从平面搬到纤维内部,不是简单缩小尺寸,而是一次制造体系与结构设计的系统重构。
针对上述瓶颈,复旦大学纤维电子材料与器件研究院、高分子科学系等团队提出“多层旋叠架构”,将电路像卷叠结构一样在纤维内部层层构建,提升单位长度内的集成密度,最大化利用纤维内部空间。
在关键工艺上,研究团队通过等离子刻蚀等手段显著降低纤维表面粗糙度,使其满足微纳加工的平整度要求;同时在纤维表面沉积聚对二甲苯保护层,增强材料在光刻流程溶剂环境中的稳定性,并提高弯曲条件下电路的可靠性。
研究显示,该制备路线可与成熟光刻工艺有效兼容,为后续规模化制造与工艺复用打开通道。
从结果看,团队在弹性高分子纤维中集成高密度晶体管,实现每厘米纤维可集成约10万个晶体管,信息处理能力已与部分商用植入式医疗芯片相当。
更值得关注的是其“柔软而可靠”的工程特性:在弯曲到毫米级曲率半径、拉伸、打结,以及水洗、高低温等环境测试中保持稳定;在承受重压等极端条件后仍可工作。
这些指标意味着,“纤维芯片”不再停留在实验室演示层面,而更接近可进入复杂使用场景的关键器件。
这一突破带来的影响,首先体现在电子系统集成路径的变化。
传统可穿戴产品往往以柔性传感器配合刚性主控芯片的“混合”方式实现功能,系统可靠性与舒适度受限。
“纤维芯片”提供了将供电、传感、显示与信息处理在同一根纤维乃至同一织物中协同集成的可能,使电子织物从“可弯折的外设”向“具备本地计算能力的载体”升级。
其次,在医疗与生命健康领域,柔性化的高密度电子系统有望降低植入与长期佩戴的不适感,并提升信号采集与处理的贴近性与实时性。
以脑机接口为例,现有方案多依赖外部处理设备,体积、连接与能耗限制了应用扩展;若未来能以更细、更柔的纤维系统实现信号采集与即时处理,或可推动“感知—处理—反馈”闭环能力向更小型化、更精准方向发展。
面向产业化与应用落地,仍需系统性对策支撑。
一是加强标准与可靠性体系建设,围绕织物洗涤、汗液腐蚀、长期弯折、皮肤接触安全等场景建立可比对的评价方法,形成面向纺织与电子交叉领域的测试规范。
二是推进工艺一致性与良率提升,在保持柔性与舒适性的同时,解决大长度连续制造、器件一致性、封装与互连等工程问题。
三是强化应用牵引与协同创新,推动纺织、材料、微纳制造、医疗器械等产业链上下游联合攻关,围绕智能服装、康复监测、沉浸式交互等方向形成可复制的示范方案。
四是重视数据与安全合规,尤其在医疗与人体信号相关应用中,应同步完善隐私保护、产品准入与临床验证路径,避免“先快后乱”。
展望未来,随着柔性集成电路密度进一步提升、能耗进一步降低、与纺织工艺更深度融合,电子织物可能从单点功能叠加走向系统级智能:衣物不仅“会感知”,还能在本地完成数据预处理与简单决策;虚拟现实与远程协作设备有望在更轻薄、更透气的形态下获得更丰富的触觉反馈;在医疗场景中,更贴合人体的柔性电子系统或将推动长期监测、精准干预的可及性提升。
此次“纤维芯片”的出现,为上述方向提供了关键技术支点。
这项成果代表了全球电子产业在材料科学和工程技术上的重要进步,标志着芯片技术正从"硬"向"软"、从"块"向"纤"的根本性转变。
它不仅解决了长期困扰可穿戴电子产业的关键难题,更为人工智能、生物医学、人机交互等前沿领域的融合发展开辟了崭新路径。
随着这一基础性技术的不断完善和规模化应用,未来我们穿的衣服、佩戴的装备将不再是被动的防护工具,而是具有感知、思考、交互能力的智能伙伴。
这一转变将深刻改变人类与科技的关系,预示着一个更加智慧、更加人性化的科技未来正在到来。