纤维集成电路：多层螺旋架构实现高性能织物计算

作者： Zhen Wang（王振）¹⁸, Ke Chen（陈科）¹⁸, Xiang Shi（时翔）¹⁸, Qinhao Du¹, Yulu Ai¹, Pengzhou Li¹, Li Yong¹, Xiao Sun¹, Ning Wang¹, Xuemeng Hu², Chen Lu², Chengqiang Tang¹, Liyuan Wang¹, Yuanyuan Zheng¹, Yichi Zhang¹, Hongyu Guo¹, Zhaofangzhou Pu¹, Xiaokun Wang¹, Yanan Zhang¹, Haibo Jiang¹, Yue Liu¹, Zhihang Tang³, Lingsen You⁴, Jue Deng⁵, Renchao Che⁶, Yue Gao¹, Songlin Zhang¹, Bingjie Wang¹, Xuemei Sun¹, Jiajun Qin¹, Ya Huang¹, Li Shen⁴, Junbo Ge⁴, Xiaoyang Zeng², Lin Chen², Peining Chen（陈培宁）¹⁷✉ & Huisheng Peng（彭慧胜）¹✉

所在机构： 1. 复旦大学，聚合物分子工程国家重点实验室，高分子科学系，纤维材料与器件研究所，先进材料实验室 2. 复旦大学，微电子学院，集成芯片与系统国家重点实验室 3. 湖南工程学院，智能纤维材料院士工作站 4. 复旦大学附属中山医院，心血管病国家重点实验室，心内科，上海心血管病研究所 5. 复旦大学，工程与应用技术研究院 6. 复旦大学，电子显微镜中心 7. 上海科学智能研究院 8. 共同第一作者

发表期刊： Nature, Vol 650, 2026年2月5日

一、研究背景与目标

纤维电子器件正将传统纤维和织物转化为能够主动与人体及环境交互的新一代可穿戴设备。迄今为止，纤维电子器件已几乎实现了所有所需的功能，包括供能、传感和显示。然而，构建智能交互纤维系统的核心——能够处理信息的纤维处理器，一直是该领域缺失的关键环节。此前，纤维系统严重依赖外部连接至刚性、笨重的信息处理设备，这从根本上与纤维器件必须具备的柔性、可拉伸、可扭转、轻质甚至可编织的本质相悖。

与在刚性平面硅基底上制造的传统信息处理器不同，开发可行的纤维信息处理器面临的首要挑战在于，需要将大量协同工作的微器件，如晶体管（transistors）、电阻器（resistors）和电容器（capacitors），集成到弹性且纤细的纤维中。这一困难源于纤维本身的固有限制，包括其柔软、圆柱形的几何形状和有限的表面积，为实现必要的集成密度和形成可靠互连构成本质性障碍。彭慧胜教授和陈培宁教授领导的联合研究团队正是瞄准这一空白，旨在创造出一种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（fibre integrated circuit, FIC），从而构建无需外部刚性处理器的闭环式单纤维智能系统。

二、研究流程与方法

该研究的核心在于通过设计一种多层螺旋架构（multilayered spiral architecture）来打破纤维表面的限制，其详细工作流程可分为制造工艺、性能表征与系统集成三大阶段。

首先，在制造工艺阶段，研究者开发了一套独特的FIC制备流程。制备的起点是在弹性聚合物基底（聚二甲基硅氧烷，PDMS）上构建功能模块。为确保纤维中集成电路的可靠性能，研究团队在传统卷绕方法之外实施了三大关键策略：其一，在聚合物基底上建立高度平坦的表面以增强电路图案化精度，并开发了聚对二甲苯（parylene）封装层来提供耐溶剂性；其二，引入PDMS中间层和模量异质结构（modulus heterostructure），以减轻电路在变形过程中的机械应力，其中高模量的聚对二甲苯缓冲层和柔软的PDMS基体交替分布；其三，引入粘合中间层和加厚边缘，以改善层间粘合并防止不规则的层固化，解决了长纤维卷绕过程中随机褶皱形成的关键难题。

功能模块通过光刻（lithography）技术进行互连，形成了上层连接走线。随后，使用改良的卷绕策略，将平面功能薄膜通过定制的机器以每秒0.2厘米的速度螺旋卷绕组装成纤维。通过改变光刻加工分辨率可调节集成密度，而使用不同尺寸的基底则可按需获得不同直径和长度的FIC。

其次，在性能表征阶段，团队对FIC内部晶体管的电学性能和稳定性进行了系统性测试。研究对象包括在FIC中集成的底栅结构有机晶体管和有机电化学晶体管（organic electrochemical transistors, OECTs）。数字逻辑功能通过构建或非门（NOR）、与非门（NAND）、异或门（XOR）和RS锁存器（RS latch）电路进行验证。模拟电路功能则通过集成晶体管、电阻器和电容器来实现射频滤波器和波形发生器等。研究还利用实验表征的OECT长时程增强（long-term potentiation）数据，在Olivetti Research Laboratory人脸数据库上模拟了神经计算功能，包含5000张训练图像和1000张测试图像，经过1000个学习周期（epochs）评估图像识别准确率。

最后，在系统集成与应用验证阶段，研究者将FIC与能量收集、能量存储、传感和显示模块整合于一根直径300微米的单纤维内，构建闭环系统。植入式应用通过在体小鼠脑部植入包含原位信号放大电路的16通道神经探针纤维系统进行验证，评估信号质量及生物相容性。可穿戴应用则展示了将FIC纤维机织成柔性触觉手套，用于虚拟现实场景下的精细触觉交互，并对机织织物进行了标准洗涤测试以考察耐用性。

三、主要研究结果

该研究取得了一系列突破性成果。在集成密度上，FIC达到了前所未有的每厘米10万个晶体管的集成密度，满足了超大规模集成电路的工业标准。所集成的晶体管表现出高达10⁷的开关比、10⁻¹⁰安培级别的漏电流和1.13 cm² V⁻¹ s⁻¹的迁移率，性能与最先进的平面有机晶体管相当。更重要的是，这些晶体管在纤维的轴向、径向和周向均表现出高度一致性，性能差异小于8%。

在功能演示上，FIC成功实现了多种信号处理能力。在数字电路方面，基于FIC的NOR门、NAND门和XOR逻辑门电路均展现了与理论真值表高度吻合的稳定响应曲线，其中XOR门准确执行了加法和减法运算，而RS锁存器电路的输出响应也与理论预测一致，证明了集成晶体管的协同功能性。在模拟电路方面，集成的波形发生电路稳定输出了周期1秒、脉冲宽度100毫秒的波信号，其性能变化小于5%，达到了用于电疗刺激设备的商用芯片的刺激信号输出能力。在神经计算方面，基于OECT阵列模拟的FIC在图像识别任务中达到了99.8%的平均识别准确率，与最先进的内存内图像处理器性能相当。

FIC展现出了卓越的稳定性和耐久性。依托于由高模量聚对二甲苯缓冲层和柔软PDMS基体构成的模量异质结构，有限元模拟分析表明，聚对二甲苯缓冲层能有效地将应变分散到弹性基体中，从而在剧烈变形下大幅降低电路局部的应变。实验验证了该设计在多种苛刻条件下的可靠性：FIC在1毫米弯曲半径下反复弯折、在180° cm⁻¹的角度下扭转、拉伸至30%应变，甚至在被重达15.6吨的集装箱卡车碾压后，其晶体管的开关比和阈值电压等电学性能依然保持稳定，变化小于5%。在10,000次弯折和磨损循环、10天10%持续拉伸和1000次40°C热循环测试后，FIC的性能变化均保持在10%以内。

在系统级应用中，FIC的实现使在单根纤维内部构建闭环系统成为可能。集成了供能、传感、处理和显示模块的纤维系统，成功演示了通过触摸集成传感点来控制有机发光二极管（organic light-emitting diode, OLED）模块的发光。在神经接口应用中，利用原位信号放大功能，采集的神经信号达到了7.5 dB的高信噪比，显示了替代商用外部信号采集设备的潜力。集成了主动矩阵驱动电路的显示织物，能够实现在织物上按需显示图像，且每个像素独立可控，功耗为每像素5毫瓦。此外，利用FIC编织的触觉手套，其刺激电流可通过输入信号进行独立编程控制，能区分手指上精细的触觉模式，且在标准机洗后刺激电流仍保持稳定。

四、研究结论与价值

研究团队成功开发了一种具有高微器件集成密度和信号处理能力的纤维集成电路（FIC），弥合了独立工作的纤维器件与闭环功能纤维系统之间的鸿沟。该方法摒弃了纤维系统对外部刚性信息处理器的依赖，使纤维系统像普通聚合物纱线一样完全柔性。

本研究的科学价值在于提出并验证了多层螺旋架构这一全新设计理念，解决了在柔性、圆柱形的纤维几何空间内，实现高密度电子器件集成并保持其协同工作能力的基础科学难题。通过引入模量异质结构设计，阐明了柔性器件在极端形变下的应力分散保护机制，为柔性电子器件的机械设计提供了普适性的方法论。

在应用价值上，基于FIC的全柔性纤维系统，为脑机接口、智能织物和虚拟现实可穿戴设备等前沿应用所期望的交互模式开辟了道路。其在体神经信号的高质量采集和在织物触觉交互中的精细控制演示，证明了该技术在医疗健康和元宇宙等领域的巨大转化潜力。

五、研究亮点

本研究亮点突出，主要体现在三个方面：其一，方法学的独创性，开创性地采用“平面制备-多层螺旋卷绕”的策略，并开发了加厚起始边缘和半固化粘合层等关键工艺，解决了纤维内高密度、长尺寸集成的制造难题；其二，性能的革命性突破，创造了纤维形态下每厘米10万晶体管的集成密度纪录，并在数字逻辑、模拟信号和神经计算三种模式上均实现了与平面器件相当的处理能力；其三，应用的颠覆性潜力，首次在单根纤维内实现了完整的信号“传感-处理-执行”闭环系统，并展示了其在侵入式脑机接口和全柔性织物显示与触觉交互中的可行性，为未来电子器件的形态和交互方式提供了全新的可能。

（字数：1943）