做一些傳統(tǒng)芯片過去不太容易做到的事情

　　如何在纖維上實(shí)現(xiàn)高效信息處理功能，但又不影響纖維器件柔軟、適應(yīng)復(fù)雜形變、可編織等本征特性，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)的最新成果為纖維器件實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用提供可能。

　　1月22日凌晨，復(fù)旦大學(xué)彭慧勝/陳培寧團(tuán)隊(duì)的研究成果在《自然》主刊發(fā)布，該成果突破傳統(tǒng)芯片集成電路硅基研究范式，率先通過設(shè)計(jì)多層旋疊架構(gòu)，在彈性高分子纖維內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成電路（簡稱“纖維芯片”）。

　　“纖維芯片”信息處理能力與一些經(jīng)典的商業(yè)芯片相當(dāng)，且具有高度柔軟、適應(yīng)拉伸扭曲等復(fù)雜形變、可編織等獨(dú)特優(yōu)勢，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)變革發(fā)展提供有力支撐。

　　“我們并不是要取代現(xiàn)有的芯片，而是希望面向一些新興領(lǐng)域應(yīng)用場景，提供一個可能的新路徑。”復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院/高分子科學(xué)系教授、論文通訊作者陳培寧對第一財(cái)經(jīng)記者說道，他們的纖維芯片有望能做一些傳統(tǒng)芯片過去不太容易做到的事情。

　　陳培寧介紹，連接傳統(tǒng)硬質(zhì)芯片電路的纖維系統(tǒng)，穿戴起來舒適性較差，整個電路連接也不穩(wěn)定，所以團(tuán)隊(duì)就想把信息處理模塊也做成纖維形態(tài)。從2020年起，他們在研發(fā)織物顯示器件的同時，同步啟動“纖維芯片”的攻關(guān)。

　　應(yīng)用場景有哪些

　　具有信息處理功能的芯片，是實(shí)現(xiàn)纖維電子系統(tǒng)和信息交互功能的核心部件，但過去纖維電子系統(tǒng)的集成范式，普遍依賴連接硬質(zhì)塊狀的芯片電路，這種范式通常會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)電路連接復(fù)雜且不穩(wěn)定，且與纖維柔性、透氣性、輕量化、穿戴舒適性等應(yīng)用要求存在根本矛盾，極大限制了纖維器件領(lǐng)域發(fā)展。

　　“纖維芯片”則有望擺脫過去纖維系統(tǒng)對外部信息處理設(shè)備的依賴，在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特應(yīng)用前景，

　　例如在腦機(jī)接口領(lǐng)域，傳統(tǒng)腦機(jī)接口的電極普遍需要連接硬質(zhì)的外部信號處理模塊?；凇袄w維芯片”技術(shù)，有望在一根像頭發(fā)絲細(xì)的纖維內(nèi)，集成“傳感-信號處理-刺激輸出”閉環(huán)功能系統(tǒng)。

　　團(tuán)隊(duì)初步驗(yàn)證，在直徑低至50微米的超細(xì)纖維上，可同時集成高密度傳感-刺激電極陣列與信號預(yù)處理電路，具有與腦組織相當(dāng)?shù)娜嵝院土己蒙锇踩?，其所采集的神?jīng)信號信噪比，與商用外部信號預(yù)處理設(shè)備相當(dāng)。該纖維系統(tǒng)有望為腦科學(xué)和腦神經(jīng)疾病診斷與治療提供一個新工具。

　　在電子織物領(lǐng)域，電子織物被認(rèn)為是可穿戴設(shè)備的終極發(fā)展形態(tài)，核心挑戰(zhàn)在于，如何實(shí)現(xiàn)“全柔性”的織物系統(tǒng)。基于“纖維芯片”，有望無需外接處理器，可直接編織構(gòu)建柔軟、透氣的全柔性電子織物系統(tǒng)。例如，借助“纖維芯片”內(nèi)置的有源驅(qū)動電路，可在織物中實(shí)現(xiàn)動態(tài)像素顯示。

　　在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，目前觸覺接口高度依賴塊狀硬質(zhì)信號處理模塊，導(dǎo)致與皮膚柔性表面貼合度不足，難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)細(xì)致的信號采集與輸出，在遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人手術(shù)等精細(xì)操作場景中局限性尤為突出。基于“纖維芯片”所構(gòu)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(tǒng)芯片，“纖維芯片”還具有優(yōu)異的柔性，可耐受彎曲、拉伸、扭曲等復(fù)雜形變，如承受1毫米半徑彎曲、30%拉伸形變、180°/厘米扭轉(zhuǎn)等變形，甚至在經(jīng)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(xué)科，比如材料制備涉及化學(xué)，設(shè)計(jì)電路涉及信息、電子，“這也是為什么說做起來難度很大?！?/p>

　　他告訴記者，這項(xiàng)工作涉及材料合成制備、電子器件構(gòu)建、電路設(shè)計(jì)集成和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等，需要化學(xué)、信息、電子、醫(yī)學(xué)等不同學(xué)科研究手段。而他們團(tuán)隊(duì)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(xué)科交叉研究隊(duì)伍，建立了涵蓋化學(xué)合成、器件構(gòu)建、光刻微納加工和中試概念驗(yàn)證的全鏈條研究平臺。此外，該工作還得到了來自校內(nèi)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院、生物醫(yī)學(xué)工程與技術(shù)創(chuàng)新學(xué)院、電鏡中心和中山醫(yī)院等團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。

　　復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院/高分子科學(xué)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?！拔议_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(tǒng)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(tǒng)芯片沒有辦法用到的地方?！?/p>

　　研究團(tuán)隊(duì)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(xù)與來自不同學(xué)科的學(xué)者一起協(xié)同攻關(guān)，通過合成制備先進(jìn)半導(dǎo)體材料，進(jìn)一步提升器件集成密度，提升信息處理性能，滿足更復(fù)雜應(yīng)用場景需求。在規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)已建立了自主知識產(chǎn)權(quán)體系，期待與產(chǎn)業(yè)界加強(qiáng)合作。

　　復(fù)旦大學(xué)纖維電子材料與器件研究院/智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)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(dú)特的應(yīng)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(tài)并具備復(fù)雜功能，滿足真正意義上的交互需求和植入應(yīng)用?！?/p>