想象一下，未來我們穿的衣服不僅能保暖，還能像手機、電腦一樣處理信息；虛擬現(xiàn)實手套輕薄透氣，讓醫(yī)生遠程手術時可擁有現(xiàn)場操作般的“觸覺”……這些看似科幻的場景，正因一項名為“纖維芯片”的原創(chuàng)成果而增加了早日實現(xiàn)的可能。
“纖維芯片”編織進織物。 本文圖片均為 復旦大學 供圖
1月22日凌晨，國際頂級學術期刊《自然》主刊發(fā)表了復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊的最新研究成果《基于多層旋疊架構的纖維集成電路》，團隊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、腦機接口、虛擬現(xiàn)實等新興產(chǎn)業(yè)提供了新的技術支撐。
該研究得到國家自然科學基金委、科技部、上海市科委等項目支持。復旦大學纖維電子材料與器件研究院、高分子科學系、先進材料實驗室教授彭慧勝、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，團隊在頭發(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。復旦大學團隊長期深耕“纖維電子材料與器件”領域，曾率先研制出纖維電池、織物顯示器等，讓衣物也能儲能、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尽榇?，他們決定挑戰(zhàn)這個領域公認的“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？團隊跳出傳統(tǒng)思維，提出“多層旋疊架構”：在纖維內(nèi)部像卷地毯一樣，層層疊疊構建電路，最大限度利用內(nèi)部空間。
多層電路內(nèi)部結構圖
技術上更是難關重重。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。團隊探索發(fā)現(xiàn)，通過等離子刻蝕技術，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“聚對二甲苯”的保護膜，可以抵御光刻流程中的溶劑腐蝕，并在纖維彎曲時保護電路不被破壞。
“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??！?陳培寧說。經(jīng)過5年攻關、前后十余年積累，團隊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。
打結、水洗、卡車碾壓后保持性能穩(wěn)定，應用前景廣闊
與傳統(tǒng)芯片相比，“纖維芯片”不僅功能強大，更擁有獨特的“柔軟特質(zhì)”，就像衣服里的普通纖維一樣。實驗顯示，它可以被彎曲到1毫米的曲率半徑，甚至拉伸、打結也不影響性能；經(jīng)過水洗、高低溫考驗，甚至被十幾噸重的卡車碾壓后，依然穩(wěn)定工作。
“纖維芯片”打結圖
卡車碾壓穩(wěn)定測試
這意味著，“纖維芯片”可以像普通紗線一樣編織進布料，制成真正“全柔性”的電子織物。團隊已在一根纖維上同時集成供電、傳感、顯示與信息處理功能，實現(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
復旦科研團隊的這一成果為纖維電子系統(tǒng)集成提供全新路徑，在腦機接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實等新興領域展現(xiàn)獨特應用前景。
腦機接口應用示意圖和實物圖
目前商業(yè)腦機接口電極普遍需要外接處理設備?；凇袄w維芯片”，可制成比頭發(fā)絲更細的柔性電子系統(tǒng)，將其植入腦部后，既能檢測神經(jīng)信號，又能實時處理，甚至有望實現(xiàn)“感知-處理-刺激”閉環(huán)?！拔磥砘蛟S能更精準監(jiān)測腦內(nèi)化學和電信號，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或電腦?！标惻鄬幷故玖藞F隊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”，可實現(xiàn)動態(tài)顯示與交互。這樣的“智能衣服”穿著體驗與普通衣物無異，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。基于“纖維芯片”的觸覺手套輕薄如普通手套，卻能集成大量傳感單元，精準模擬不同物體的觸感，在遠程手術、虛擬訓練等領域潛力巨大。
“纖維芯片”仍處于實驗室階段，推動落地應用
“我們不是要替代現(xiàn)有硅基芯片，而是希望能為這個領域提供一點新思路?！迸砘蹌俦硎?。目前芯片產(chǎn)業(yè)正加大投入研發(fā)“納米級”制程技術，“纖維芯片”從材料、結構到應用場景與傳統(tǒng)芯片都有所不同，有可能為我國芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展催生一個新賽道。
團隊表示，“纖維芯片”目前仍處于實驗室階段，還有很多工作要做，未來將通過多學科交叉融合創(chuàng)新，進一步提升集成度與性能，并推動落地應用。
“纖維芯片”編織進織物
這項工作背后，是團隊近十年的堅持。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”。這項工作的完成，離不開團隊成員的通力協(xié)作和努力堅持?！盁釔酆秃闷嫘氖侵挝覀兛朔щy的原動力?！?博士生王臻說。
這項工作涉及材料合成制備、電子器件構建、電路設計集成和生物應用等，需要化學、信息、電子、醫(yī)學等不同學科研究手段。團隊所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來已經(jīng)形成了一支多學科交叉研究隊伍，建立了涵蓋化學合成、器件構建、光刻微納加工和中試概念驗證的全鏈條研究平臺，對這項工作提供了有力支撐。此外，得益于復旦大學多學科優(yōu)勢，該工作還得到了來自校內(nèi)聚合物分子工程全國重點實驗室、集成電路與微納電子創(chuàng)新學院、生物醫(yī)學工程與技術創(chuàng)新學院、電鏡中心和中山醫(yī)院等團隊的通力協(xié)作。
從纖維電池到纖維顯示，再到今天的“纖維芯片”，復旦大學團隊一步步將“智能織物”從概念推向現(xiàn)實。這項登頂《自然》的成果，不僅是一項技術突破，更展示了一個即將到來的全新人機交互場景。
