如何在纖維上實現高效信息處理功能，但又不影響纖維器件柔軟、適應復雜形變、可編織等本征特性，復旦大學團隊的最新成果為纖維器件實現規模應用提供可能。
1月22日凌晨，復旦大學彭慧勝/陳培寧團隊的研究成果在《自然》主刊發布，該成果突破傳統芯片集成電路硅基研究范式，率先通過設計多層旋疊架構，在彈性高分子纖維內實現了大規模集成電路（簡稱“纖維芯片”）。
 柔軟的“纖維芯片”在手指上打結。受訪團隊供圖 “纖維芯片”信息處理能力與一些經典的商業芯片相當，且具有高度柔軟、適應拉伸扭曲等復雜形變、可編織等獨特優勢，有望為腦機接口、電子織物、虛擬現實等新興產業變革發展提供有力支撐。
“我們并不是要取代現有的芯片，而是希望面向一些新興領域應用場景，提供一個可能的新路徑。”復旦大學纖維電子材料與器件研究院/高分子科學系教授、論文通訊作者陳培寧對第一財經記者說道，他們的纖維芯片有望能做一些傳統芯片過去不太容易做到的事情。
陳培寧介紹，連接傳統硬質芯片電路的纖維系統，穿戴起來舒適性較差，整個電路連接也不穩定，所以團隊就想把信息處理模塊也做成纖維形態。從2020年起，他們在研發織物顯示器件的同時，同步啟動“纖維芯片”的攻關。
應用場景有哪些
具有信息處理功能的芯片，是實現纖維電子系統和信息交互功能的核心部件，但過去纖維電子系統的集成范式，普遍依賴連接硬質塊狀的芯片電路，這種范式通常會導致系統內電路連接復雜且不穩定，且與纖維柔性、透氣性、輕量化、穿戴舒適性等應用要求存在根本矛盾，極大限制了纖維器件領域發展。
 成卷“纖維芯片”和局部細節。受訪團隊供圖 “纖維芯片”則有望擺脫過去纖維系統對外部信息處理設備的依賴，在多個領域展現出獨特應用前景，
例如在腦機接口領域，傳統腦機接口的電極普遍需要連接硬質的外部信號處理模塊。基于“纖維芯片”技術，有望在一根像頭發絲細的纖維內，集成“傳感-信號處理-刺激輸出”閉環功能系統。
團隊初步驗證，在直徑低至50微米的超細纖維上，可同時集成高密度傳感-刺激電極陣列與信號預處理電路，具有與腦組織相當的柔性和良好生物安全性，其所采集的神經信號信噪比，與商用外部信號預處理設備相當。該纖維系統有望為腦科學和腦神經疾病診斷與治療提供一個新工具。
在電子織物領域，電子織物被認為是可穿戴設備的終極發展形態，核心挑戰在于，如何實現“全柔性”的織物系統。基于“纖維芯片”，有望無需外接處理器，可直接編織構建柔軟、透氣的全柔性電子織物系統。例如，借助“纖維芯片”內置的有源驅動電路，可在織物中實現動態像素顯示。
在虛擬現實領域，目前觸覺接口高度依賴塊狀硬質信號處理模塊，導致與皮膚柔性表面貼合度不足，難以實現精準細致的信號采集與輸出，在遠程醫療機器人(18.190, -0.13, -0.71%)手術等精細操作場景中局限性尤為突出。基于“纖維芯片”所構建的智能觸覺手套，兼具高柔性與透氣性，與普通織物無異。
還要提升性能
相比于傳統芯片，“纖維芯片”還具有優異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、30%拉伸形變、180°/厘米扭轉等變形，甚至在經過水洗、高低溫、卡車碾壓后，仍能正常工作。
陳培寧說，“纖維芯片”涉及多個學科，比如材料制備涉及化學，設計電路涉及信息、電子，“這也是為什么說做起來難度很大。”
他告訴記者，這項工作涉及材料合成制備、電子器件構建、電路設計集成和醫學應用等，需要化學、信息、電子、醫學等不同學科研究手段。而他們團隊所依托的纖維電子材料與器件研究院，近年來已經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。此外，該工作還得到了來自校內集成電路與微納電子創新學院、生物醫學工程與技術創新學院、電鏡中心和中山醫院等團隊的協作。
復旦大學纖維電子材料與器件研究院/高分子科學系博士生、論文第一作者陳珂也談到了集成電路“小白”的好處。“我開始完全不懂什么是集成電路、芯片，空白帶來的好處就是我們很敢去想，很敢去做之前沒有做過的事情。比如傳統芯片雖然是硬的，我們可能說能不能把它做軟，用到一些傳統芯片沒有辦法用到的地方。”
研究團隊介紹，未來圍繞“纖維芯片”研究，仍然還有很多工作要做，他們期望繼續與來自不同學科的學者一起協同攻關，通過合成制備先進半導體材料，進一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更復雜應用場景需求。在規模化制備和應用方面，團隊已建立了自主知識產權體系，期待與產業界加強合作。
復旦大學纖維電子材料與器件研究院/智能材料與未來能源創新學院博士生、論文第一作者王臻告訴記者，“纖維芯片”可以適配一些獨特的應用場景，比如人體表面柔軟的皮膚等。“未來也希望能和二維材料合作，這樣它才能既獲得比較好的柔性，又有非常好的形態并具備復雜功能，滿足真正意義上的交互需求和植入應用。”
|
