填补空白！复旦大学，最新Nature！

米测MeLab

2026-01-23

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编辑丨风云

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研究背景

纤维电子器件（如供能、传感、显示纤维）正将传统织物转变为能与人体和环境互动的智能可穿戴系统。然而，作为智能交互系统的核心，具有信息处理能力的纤维集成电路（FIC）此前一直处于缺失状态。现有的纤维系统高度依赖外部笨重的刚性处理设备，这与纤维器件轻便、柔韧、可编织的本质属性相违背，限制了其在大规模应用中的发展。

关键问题

目前，集成电路的开发主要存在以下问题：

1、高密度器件集成难题

如何在几何空间受限且表面积有限的细长柔性纤维中，集成大量协同工作的微型器件（如晶体管、电阻、电容），以达到工业级的处理能力。

2、恶劣服役环境下的稳定性差

纤维器件在实际应用中需承受频繁的弯曲、拉伸和扭转，如何在保持纤维柔性的同时，确保高集成度电路在复杂形变下不发生分层或失效。

新思路

有鉴于此，复旦大学彭慧胜、陈培宁等人创建了具有前所未有的微器件密度和多模态处理能力的纤维集成电路（FIC）。其集成密度达到每厘米100,000个晶体管，有效地满足了交互式纤维系统的需求。FIC不仅能像典型商业算术芯片那样处理数字和模拟信号，还能实现与最先进存内图像处理器精度相当的高识别率神经计算。FIC在严苛服役条件下表现稳定，能承受大宗和平面对手难以应对的挑战，如10,000次重复弯曲和磨损、拉伸至30%、以180°/cm的角度扭转，甚至能经受15.6吨集装箱卡车的碾压。FIC的实现使得单根纤维内构建闭环系统成为可能，无需任何外部刚性笨重的信息处理器。作者证明这种全柔性纤维系统为许多尖端应用所需的交互模式铺平了道路，例如脑机接口、智能纺织品和虚拟现实可穿戴设备。这项工作提出了新见解，可促进纤维器件向智能系统方向发展。

技术方案：

1、设计了多层螺旋架构及可扩展制造工艺

研究团队设计多层螺旋架构纤维集成电路，提升集成密度，引入三项关键策略确保可靠性，实现从厘米到米级连续制造，电路呈完美螺旋分布。

2、演示了高密度晶体管性能与多模态计算能力

FIC晶体管集成密度每厘米10万，可实现多种数字电路功能，支持模拟电路和医疗应用，集成OECTs展现强大神经计算能力，图像识别准确率高达99.8%。

3、探究了极端变形下的力学鲁棒性与耐用性

FIC采用模量异质结构，耐15.6吨碾压，1 mm弯曲、180°/cm扭转、30%拉伸应变，10万次磨损和1万次循环后电学变化小于10%，连续运行12小时温度低于34.5°C，具有极强耐用性和安全性。

4、开发了单纤维闭环系统及其尖端应用示范

FIC集成供能、传感、处理和显示功能，构建闭环智能系统，可用于脑机接口、电子纺织品和智能手套，实现高精度人机交互，具备透气性和耐洗涤性。

技术优势：

1、实现了每厘米10万个晶体管的超高体积集成密度

研究突破了传统纤维表面积限制，设计了多层螺旋立体架构，通过将功能电路层螺旋卷绕，实现了每厘米10万个晶体管的超高体积集成密度，达到超大规模集成电路的工业标准。

2、实现了卓越的力学鲁棒性

通过引入模量异质结构设计，使电路在承受30%拉伸、万次弯曲乃至重型卡车碾压后仍能保持电学性能稳定，解决了柔性集成电路的耐用性难题。

技术细节

立体架构设计与可扩展制造工艺

研究团队通过设计一种多层螺旋架构，成功打破了纤维表面积对集成密度的固有限制。在这种设计中，每一层都融入了可拉伸的功能集成电路，通过螺旋卷绕最大化利用了纤维内部的径向空间，其体积集成密度比仅利用表面的方法提高了一个数量级。制造过程中，团队首先在弹性聚合物基底上通过光刻技术构建功能模块，随后利用改进的卷绕策略将其组装成FIC。为了确保电路的可靠性，研究引入了三项关键策略：第一，建立高度平整的聚合物表面以提升图案化精度，并采用派瑞林（parylene）封装提供耐溶剂性；第二，引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）中间层和模量异质结构，以减轻变形时的机械应力；第三，在边缘添加加厚层并使用粘性夹层，防止卷绕过程中的皱褶和分层。实验证明，这种工艺具有极佳的可扩展性，能够制造出从厘米级到米级的连续FIC，且内部电路保持了高度的一致性和完整性。三维荧光重建图像显示，电路在径向呈完美的螺旋分布，无任何扭曲或波纹。

图  显示FICs结构的照片

高密度晶体管性能与多模态计算能力

FIC在信息处理能力上展现了卓越的性能，其晶体管集成密度达到每厘米10万个，满足了大规模集成电路的标准。这些晶体管采用典型的底栅结构，开关比达到10⁷，漏电流低至10^-10A，迁移率为1.13 cm²V^-1s^-1，性能可与最先进的有机晶体管媲美。基于这些稳定的晶体管，FIC实现了包括NOR、NAND、XOR逻辑门和RS触发器在内的多种数字电路功能，其输出电压曲线与理论真值表高度吻合。此外，FIC还具备模拟电路功能，能够集成电阻和电容形成波形发生器，稳定输出周期性信号，其性能足以支持电疗刺激等医疗应用。值得注意的是，通过集成有机电化学晶体管（OECTs），FIC还展现了强大的神经计算潜力。在模拟的模式识别任务中， FIC对Olivetti研究实验室数据库的图像识别准确率高达99.8%，达到了先进存内图像处理器的水平，证明了其处理复杂学习和识别任务的能力。

图  FIC中晶体管和逻辑电路的电学特性

极端变形下的力学鲁棒性与耐用性

为了应对植入式或可穿戴应用中的复杂机械环境，FIC采用了由高模量派瑞林缓冲层和软PDMS夹层交替分布构成的模量异质结构。有限元模拟分析表明，这种设计能有效分散应力，极大地降低电路层在变形过程中的局部应变。实验验证显示，FIC在承受15.6吨集装箱卡车碾压后仍能正常工作，电学频率响应保持一致。在复杂的形变测试中，如1 mm弯曲半径、180°/cm扭转以及30%拉伸应变下，其晶体管的开关比和阈值电压波动均小于5%。此外，FIC展现了极强的疲劳寿命，经受10万次磨损循环和1万次弯曲/拉伸循环后，电学变化控制在10%以内，这种耐用性是传统刚性基底电子设备难以企及的。即使在连续运行12小时后，FIC的最高温度仍低于34.5°C，保证了佩戴和植入的安全性。

图  FIC的稳定性和耐久性

单纤维闭环系统及其尖端应用示范

FIC的出现促成了一种全新的集成策略：将供能、传感、处理和显示功能全部集成在单根细纤维内，构建闭环智能系统。通过在单根纤维中分段布置不同功能模块，实现了无需外部处理器的自主运行，例如用户触摸纤维传感点即可控制OLED模块的发光。在医学领域，该系统展示了作为脑机接口（BCI）神经探针的巨大潜力，能够实现多达1,024通道的原位信号采集与放大，有效消除了传输干扰，信号增益达7.5 dB。在可穿戴领域，FIC可被织入电子纺织品中，实现有源矩阵显示的织物屏幕。此外，FIC驱动的智能手套能够作为虚拟现实交互接口，为用户提供精细的触觉反馈，且具备良好的透气性和耐洗涤性（经50次机洗后电流输出依然稳定）。这种高度集成的纤维系统不仅提升了佩戴舒适度，也为远程手术等高精度人机交互场景提供了新的技术平台。

图  智能光纤系统的集成与应用

展望

本文成功研制出一种基于多层螺旋架构的高密度纤维集成电路（FIC），填补了纤维电子领域信息处理核心部件的空白。FIC不仅实现了工业级的器件集成密度和多模态信号处理能力，更凭借创新的模量异质结构在极端力学环境下表现出卓越的稳定性。该研究开启了单纤维闭环智能系统的新纪元，在脑机接口、智能织物及虚拟现实等领域展现了广阔的应用前景，是纤维电子向智能化、系统化迈进的关键里程碑。

参考文献：

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