一、研究背景

纖維電子器件已實(shí)現(xiàn)供電、傳感、顯示等多種功能，正推動(dòng)傳統(tǒng)纖維和服裝向新一代可穿戴設(shè)備轉(zhuǎn)型，但作為智能交互纖維系統(tǒng)核心的**信息處理纖維**仍是技術(shù)缺口。現(xiàn)有纖維系統(tǒng)嚴(yán)重依賴外部笨重的剛性信息處理器，與纖維器件柔性、可拉伸、可編織、輕量化的本質(zhì)相悖，導(dǎo)致電氣連接復(fù)雜、佩戴舒適度差、植入安全性不足等問題。核心挑戰(zhàn)在于：需在纖細(xì)、柔性的纖維中集成大量協(xié)作處理微器件（晶體管、電阻、電容等），克服纖維圓柱形幾何結(jié)構(gòu)、表面積有限的固有約束，實(shí)現(xiàn)高集成密度和可靠互連。

復(fù)旦大學(xué)彭慧勝教授、陳培寧研究員團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)芯片硅基研究范式，率先提出并制備“纖維芯片”，在彈性的高分子纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成電路，成功將供電、傳感、顯示、信號(hào)處理等多功能集成于一根纖維之內(nèi)，為纖維電子系統(tǒng)開辟全新的集成路徑。有望為腦機(jī)接口、電子織物、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興產(chǎn)業(yè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

二、研究亮點(diǎn)

1. 采用多層螺旋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)每厘米10萬個(gè)晶體管的空前集成密度，達(dá)到超大規(guī)模集成電路的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足交互纖維系統(tǒng)的信息處理需求。

2. 兼具數(shù)字電路（邏輯門、鎖存器）、模擬電路（射頻濾波器、波形發(fā)生器）功能，還能實(shí)現(xiàn)類最先進(jìn)內(nèi)存內(nèi)圖像處理器的神經(jīng)計(jì)算， Olivetti Research Laboratory數(shù)據(jù)庫識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.8%。

3. 模量異質(zhì)結(jié)構(gòu)（交替分布高模量聚對(duì)二甲苯緩沖層與軟PDMS夾層）賦予器件超強(qiáng)耐受性，可承受10,000次彎曲拉伸、30%拉伸、180°·cm?1扭轉(zhuǎn)、10萬次磨損，甚至15.6噸集裝箱卡車碾壓，電氣性能變異小于10%。

4. 首次在單根纖維中實(shí)現(xiàn)供電、傳感、信息處理、顯示的閉環(huán)功能，無需外部剛性處理器，為腦機(jī)接口、智能紡織品等場(chǎng)景提供全柔性解決方案。

三、研究?jī)?nèi)容

（一）器件設(shè)計(jì)與制備

1. 核心結(jié)構(gòu)：采用多層螺旋架構(gòu)，將可拉伸功能集成電路集成于每層，最大化纖維徑向空間， volumetric集成密度較表面利用方法提升一個(gè)數(shù)量級(jí)；引入模量異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過聚對(duì)二甲苯緩沖層分散應(yīng)變，保護(hù)電路層免受形變損傷。

Fig.1 Photographs showing the structure of FlCs.

2. 制備工藝：通過光刻在彈性聚合物基底上構(gòu)建功能模塊，采用改性卷繞策略組裝成FIC——關(guān)鍵優(yōu)化包括：聚對(duì)二甲苯封裝提升耐溶劑性、PDMS夾層緩解形變應(yīng)力、粘性夾層與加厚邊緣改善層間粘附。可通過調(diào)整光刻分辨率和基底尺寸，按需調(diào)控FIC的集成密度、直徑和長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)米級(jí)規(guī)?；苽?。

3. 核心組件：晶體管采用底柵結(jié)構(gòu)，開關(guān)比達(dá)10?，漏電流為10?1? A，遷移率1.13 cm2·V?1·s?1；有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）開關(guān)比10?，閾值電壓-1.2 V，為神經(jīng)計(jì)算提供低功耗高靈敏度基礎(chǔ)。

（二）性能表征

1. 電路功能：

Fig. 2 | Electrical properties of transistors and logic circuits in FICs.

   - 數(shù)字電路：實(shí)現(xiàn)NOR、NAND、XOR邏輯門及RS鎖存器，響應(yīng)曲線與理論真值表高度吻合，可完成加減運(yùn)算和信號(hào)同步控制。

   - 模擬電路：集成晶體管、電阻和電容，設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器穩(wěn)定輸出周期1 s、脈沖寬度100 ms的信號(hào)，性能媲美電療刺激設(shè)備商用芯片。

   - 神經(jīng)計(jì)算：基于OECT陣列構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)5000張訓(xùn)練圖像、1000張測(cè)試圖像訓(xùn)練1000個(gè)epoch后，圖像識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)99.8%。

Fig. 3 | Stability and durability of FICs. 

2. 機(jī)械穩(wěn)定性：彎曲半徑1 mm、拉伸30%、扭轉(zhuǎn)180°·cm?1時(shí)，晶體管開關(guān)比和閾值電壓變異小于5%；10萬次磨損、10,000次彎曲拉伸后仍保持穩(wěn)定性能；15.6噸卡車碾壓后頻率響應(yīng)無變化；連續(xù)工作12 h最高溫度低于34.5 ℃，無過熱風(fēng)險(xiǎn)。

3. 一致性：晶體管在纖維軸向、徑向、周向的性能變異小于8%，確保整體電路可靠協(xié)作。

（三）應(yīng)用驗(yàn)證

Fig. 4 | Integration and application of intelligent fibre systems.

1. 閉環(huán)智能纖維系統(tǒng)：?jiǎn)胃?00 μm直徑纖維集成供電（熱電能量收集+儲(chǔ)能模塊，輸出電壓1.5-60 V可調(diào)）、傳感、處理、顯示（OLED亮度10? cd·m?2，效率2.55 cd·A?1）模塊，可通過觸摸傳感點(diǎn)調(diào)控OLED發(fā)光。

2. 腦機(jī)接口：50 μm直徑FIC集成每厘米1024通道傳感電極陣列，實(shí)現(xiàn)16通道神經(jīng)信號(hào)采集，原位信號(hào)放大后信噪比達(dá)7.5 dB，植入8周后信號(hào)穩(wěn)定，生物相容性經(jīng)FDA批準(zhǔn)材料驗(yàn)證。

3. 智能紡織品：可與尼龍紗線編織成20 cm×10 cm電子織物，基于有源矩陣驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)像素級(jí)顯示，單像素功耗5 mW，可按需顯示復(fù)雜圖像，機(jī)洗后刺激電流穩(wěn)定。

4. 虛擬現(xiàn)實(shí)觸覺手套：編織的柔性觸覺手套集成刺激陣列與一對(duì)一驅(qū)動(dòng)電路，可精準(zhǔn)區(qū)分手指精細(xì)觸覺模式，刺激電流可編程調(diào)控。

四、總結(jié)與展望

該研究通過多層螺旋架構(gòu)與模量異質(zhì)設(shè)計(jì)，成功研發(fā)出高集成密度、多模態(tài)計(jì)算能力、極致穩(wěn)定性的纖維集成電路（FIC），填補(bǔ)了信息處理纖維的技術(shù)空白。FIC首次在單根纖維中實(shí)現(xiàn)閉環(huán)功能，擺脫了對(duì)外部笨重處理器的依賴，其每厘米10萬個(gè)晶體管的集成密度、全場(chǎng)景機(jī)械耐受性及多模態(tài)計(jì)算能力，遠(yuǎn)超現(xiàn)有纖維電子器件，推動(dòng)纖維電子從單一功能器件向智能系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09974-0