如“第二皮肤” 复旦大学纤维芯片问世
上海复旦大学团队全球首创“纤维芯片”，研究成果22日发表在最新一期国际顶级学术期刊《自然》（Nature）。纤维芯片在弹性高分子纤维内像“寿司卷”一样集成大规模电路，性能与部分医用植入式芯片相当。该研究为脑机接口、电子织物、虚拟现实等领域提供新思路。医生戴着含芯片的智能触觉手套实施远程手术，能清晰感知人体触感；游戏玩家佩戴时，能逼真触摸虚拟道具，犹如拥有“第二皮肤”。
复旦大学高分子科学系教授、纤维电子材料与器件研究院先进材料实验室研究员陈培宁表示，纤维系统外接传统芯片，就像给衣服缝上一块硬板，既不舒服也不稳定，团队从2020年开始挑战直接在纤维内部直接造出芯片。相较传统芯片，纤维芯片最大优势在于具有优异的柔性，可耐受弯曲、拉伸、扭曲等复杂形变，能承受1毫米半径弯曲、30%拉伸形变等变形，甚至在经过水洗、高低温、卡车碾压后，仍能正常工作。
纤维芯片从材料、结构到应用场景与传统芯片都不一样，复旦大学高分子科学系教授、纤维电子材料与器件研究院先进材料实验室负责人彭慧胜表示，纤维芯片的意义并非取代现有的矽基芯片，而是提供新思路。在脑机接口领域，纤维芯片可在直径低至50微米的超细纤维上集成的高密度传感-刺激电极阵列与信号预处理电路，收集到的神经信号信噪比达7.5db，同时具备与脑组织相当的柔性，生物相容性良好。
在虚拟现实领域，基于纤维芯片的智能触觉手套兼具全柔性与透气性，可集成高密度传感与刺激阵列，更精准模拟不同物体的力学触感。研究团队正探索将纤维芯片技术应用到心血管介入器械中，有望辅助医生更精准地完成手术。
电子织物方面，高分子科学系博士生、论文第一作者陈珂表示，纤维芯片让电子织物能够显示动态画面、实现触控交互，功能超越过去只能显示简单图案。陈培宁表示，希望基于纤维芯片的电子织物能像手机、电脑一样。
长度增至1米可达电脑CPU水平
按照目前实验室级1微米的光刻加工精度，如果将纤维芯片的长度增加到1米，则有望达到与电脑中央处理器相当的水平。基于纤维芯片，未来还能将发光、传感等模块直接集成在一根纤维上，形成无需外接设备的全闭环系统，甚至实现自供能。
陈珂说，之前对集成电路和芯片一无所知，也因此“很敢去想”，想尝试“把它做软”，用到一些传统芯片没有办法用到的地方，比如人的皮肤。
研究团队目前初步实现纤维芯片的实验室级规模化制备，与工业量产仍有相当距离。陈培宁表示，实验室采用的制备方法与现有光刻工艺兼容，有望高效对接产业。该团队从事纤维电子材料与器件领域，曾研制出纤维电池、织物显示器等，让衣物储能、发光。
纤维芯片如给发丝“雕花” 从寿司卷得设计灵感
把芯片做进纤维，难度如同给发丝“雕花”，陈培宁将制造纤维芯片比喻成“在坑坑洼洼的软泥地上建高楼”，还要“让高楼经得起拉伸扭曲”，需要解决光蚀适配、结构稳定性和空间限制三大挑战。
纤维每厘米表面积仅0.01至0.1平方厘米，团队从寿司卷得到灵感，先在弹性高分子表面完成高精度微纳加工，再把它卷成纤维形态，在纤维内部构建多层集成电路，令1毫米长的纤维目前可集成1万个晶体管，与一些商业医用植入芯片相当。
芯片光刻工艺依赖平整的矽晶圆衬底，团队通过等离子刻蚀技术将弹性高分子表面粗糙度降至1纳米以下，“相当于把软泥地打磨平整，为建高楼打下地基”。
光刻过程使用的多种极性溶剂会破坏前期制备的平整表面，团队用高分子材料聚对二甲苯，通过沉积工艺，在弹性衬底表面形成“硬-软异质结构”，如同给电路层穿上护甲，在拉伸、扭转等变形中保持电路稳定
