景行
一、【科学背景】
柔性可穿戴电子的快速发展，推动纤维电子器件向多功能化、集成化升级，其凭借柔性、可拉伸、可编织特性，在人机交互、植入式医疗等领域极具应用潜力。目前，纤维器件已实现供电、传感、显示等单一功能，但核心信息处理模块长期缺失，需依赖外部刚性处理器，与纤维柔性本质相悖，严重制约智能纤维系统的小型化与实用化。开发高集成度、高稳定性的纤维形态集成电路，填补信息处理环节空白，成为突破柔性电子领域发展瓶颈、推动其从单一器件向智能系统跨越的关键。
二、【创新成果】
近日，复旦大学彭慧胜院士和陈培宁研究员等人突破传统硅基芯片范式，全球率先研制出“纤维芯片”。团队创新性采用多层旋叠架构，跳出仅利用纤维表面的惯性思维，向内部空间挖掘潜力，结合等离子刻蚀平整化处理、聚对二甲苯纳米膜防护等技术，攻克纤维曲面空间限制、光刻适配难题与稳定性挑战，实现每厘米10万个晶体管的集成密度，信息处理能力媲美经典商业芯片与医用植入芯片。该芯片兼具极致柔性与高稳定性，可耐受弯曲、拉伸、碾压、水洗等复杂场景，还能集成供电、传感、显示等多功能形成微型电子系统，其制备工艺与现有光刻技术兼容，为规模化生产奠定基础。
图1纤维集成电路（FIC）结构实物图。（a）FIC实物图及放大图，（1）（2）（3）展示电路均一性；（b）三维荧光显微重建图，显示FIC中微型器件的连接性，电路可360°环绕纤维分布；（c）荧光显微图，呈现FIC内部有源驱动电路单元，证明其可集成多种器件；（d）规模化制备的FIC实物图，放大图显示电路连续性；（e）打结后置于拇指上的FIC，体现其柔性与结构完整性。© 2026 Springer Nature
图1聚焦纤维集成电路（FIC）的结构特征、制备可行性及柔性特质，从多维度验证其结构完整性与可扩展性。通过表面集成异或电路的实物图及放大图，印证了电路排布的均一性与高精度制备能力；三维荧光显微重建图直观呈现电路360°环绕纤维的螺旋分布及器件间连接性，呼应多层旋叠架构设计；内部有源驱动电路单元的荧光图证明FIC可集成多种基础器件；规模化制备图及电路连续性放大图，展示了其从厘米级到米级的可控量产潜力；打结放置的实物图则直观体现了FIC优异的柔性与结构完整性，为后续穿戴、植入应用奠定结构基础。
图2 FIC中晶体管及逻辑电路的电性能。（a）集成密度达每厘米10万个晶体管的FIC演示图；（b）被测晶体管光学显微图，白色虚线框为半导体区，标注漏极（D）、栅极（G）、源极（S）；（c）晶体管转移特性曲线，显示高开关比（IDS：漏源电流，IG：栅极电流）；（d）同批次100个晶体管开关比柱状统计图，体现电性能均一性；（e-i）或非（NOR）、与非（NAND）、异或（XOR）门及复位–置位锁存器电路示意图；（f-j）对应逻辑电路的输入输出电压曲线；（m）模拟电路扫描电镜图；（n）模拟电路示意图；（o）基于晶体管实测数据的模拟电路输出统计图。© 2026 Springer Nature
作者系统表征了FIC中晶体管及各类电路的电性能，验证其作为信息处理器的核心能力。通过每厘米10万个晶体管的集成密度演示图，凸显其突破传统纤维电子集成瓶颈的优势；晶体管的显微图、转移特性曲线及同批次性能统计图，证明其具备高开关比、低漏电流及优异的性能均一性，可媲美主流有机晶体管；各类逻辑门（或非、与非、异或）及复位-置位锁存器的示意图与输入输出曲线，验证了FIC的数字信号处理能力；模拟电路的扫描电镜图、示意图及输出统计图，则展现其在模拟信号处理领域的潜力，可实现与商用器件相当的波形生成等功能。
图3 FIC的稳定性与耐久性。（a）模量异质结构设计示意图，基本单元含交替分布的高模量聚对二甲苯缓冲层与柔性弹性中间层；（b）弯曲有限元模拟结果，聚对二甲苯层可将应变分散至弹性基质以保护电路；（c）15.6吨集装箱卡车前轮碾压FIC的实物图；（d）放大图，显示碾压后FIC无机械损坏；（e）碾压前后器件频率响应性能，保持一致；（f-h）不同弯曲半径、扭转角度、拉伸应变下，晶体管开关比与阈值电压统计图；（i）10万次磨损循环中晶体管阈值电压统计图。© 2026 Springer Nature
接下来，作者围绕FIC的稳定性与耐久性展开测试验证，揭示模量异质结构对性能保障的关键作用。通过结构示意图与有限元模拟结果，阐明高模量聚对二甲苯缓冲层与柔性PDMS中间层的交替设计，可将应变分散至弹性基质以保护电路；15.6吨卡车碾压实验及碾压前后频率响应对比，直观证明其极端机械耐受性；不同弯曲半径、扭转角度、拉伸应变下的性能统计图，以及10万次磨损循环的阈值电压变化数据，系统验证了FIC在复杂形变及长期服役条件下的性能稳定性，为其在穿戴、植入等严苛场景的应用提供数据支撑。
图4智能纤维系统的集成与应用。（a）闭环智能纤维系统结构示意图，无缝集成多个功能模块，供电模块含能量收集与存储单元（NPB：N,N’-双(萘-1-基)-N,N’-双(苯基)联苯胺；PEDOT：聚(3,4-乙撑二氧噻吩)）；（b）分段集成不同功能模块的智能纤维系统；（c）显示像素可独立控制的实物图；（d）集成高密度传感阵列、原位信号处理电路及刺激电极的系统示意图；（e）直径50 μm、每厘米1024通道传感电极阵列FIC；（f）传感/刺激电极放大图；（g）随机3个通道的神经信号图；（h）原位信号放大电路采集的神经信号放大图；（i）智能纤维编织为电子织物示意图；（j）有源矩阵驱动电路纤维编织的像素显示织物；（k）像素间距放大图；（l）可显示复杂图像的织物；（m）智能织物作为虚拟现实触觉接口示意图（如远程手术）；（n）触觉手套实物图；（o）手套表面电刺激强度热图；（p）水洗前后手套刺激输出统计图。© 2026 Springer Nature
最后，文章展示FIC的多功能集成能力及典型应用场景，体现其从器件到系统的落地价值。通过闭环智能纤维系统示意图与分段集成实物图，呈现供电、传感、处理、显示等模块的无缝集成，实现无需外部处理器的自主运行。高通道传感电极阵列及神经信号图谱，验证其在脑机接口领域的潜力，可采集高信噪比神经信号且生物相容性优异。智能织物的编织示意图、像素显示图及触觉手套演示，展现其在智能穿戴与虚拟现实领域的应用前景，同时水洗前后刺激输出统计图，证明其实际使用中的耐久性。
该研究实现了一种高性能柔性光纤集成电路，以“Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，该研究以多层旋叠架构为核心创新，成功突破传统范式，研制出兼具高集成度、强稳定性与多功能兼容性的纤维集成电路，填补了柔性电子领域信息处理模块的空白，为智能纤维系统的实用化提供了核心支撑，更验证了跨领域融合与逆向思维在科研攻坚中的重要价值。
未来，需聚焦三大方向深化研究：一是集成高性能二维材料或新型晶体管，进一步提升芯片运算速度与能效；二是优化制备工艺，推动纤维芯片的规模化、低成本生产，适配产业应用需求；三是完善生物相容性与体内长期稳定性评估，加速其在植入式医疗、脑机接口等高端领域的临床转化。
原文详情：Wang, Z., Chen, K., Shi, X. et al. Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09974-0
本文由景行撰稿
