本文转自【感知科学前沿】公众号
复旦大学彭慧胜/陈培宁团队，在《Nature》上发布了一篇题为“Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture”的论文。论文内容如下：
一、摘要
纤维电子器件正将传统纤维与服装转变为新一代可穿戴设备，这些设备能够主动与人体及环境互动，从而塑造未来生活形态。目前，纤维电子器件已实现几乎所有预期功能，例如供电、传感与显示功能。然而，构建类似于任何电子产品的智能交互纤维系统的核心（可行的信息处理纤维）仍是当前缺失的关键环节。本文通过创制具有前所未有的微器件密度与多模态处理能力的纤维集成电路填补了这一空白。其集成密度达到每厘米10万个晶体管，有效满足了交互纤维系统的需求。这些纤维集成电路不仅能处理类似于典型商用运算『芯片』的数字与模拟信号，还可实现与先进存内图像处理器相媲美的高精度神经计算。在严苛使用条件下，如经历10,000次反复弯折与磨损、拉伸至30%、以180° cm^−1角度扭转，甚至承受15.6吨集装箱卡车的碾压，纤维集成电路仍能保持稳定，而传统笨重平面器件难以承受此类条件。 纤维集成电路的实现使得单一纤维内形成闭环系统成为可能，无需依赖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脑机接口、智能纺织品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。本研究提出了推动纤维器件向智能系统发展的新见解。
二、背景介绍
在过去的几十年中，我们见证了纤维电子设备从传统纤维向具有多样化功能的纤维器件的演变。正如『智能手机』或计算机等任何电子产品的发展历程一样，纤维电子设备的未来需要将独立工作的纤维器件转变为智能纤维系统，以满足大规模应用中的多样化交互需求。集成电路或『芯片』等信息处理器是现代电子技术的基石。对于纤维电子设备而言，情况同样如此；然而，遗憾的是，构建纤维系统所缺失的关键环节是一种纤维形态的有效信息处理器，这对于无缝集成多功能纤维器件以实现信号传输、存储和处理至关重要。纤维信息处理器的实现有望颠覆当前纤维系统的模式，该模式目前严重依赖于外部连接至刚性和笨重的信息处理设备。这种依赖性与纤维器件的本质——即必须具有柔性、可拉伸、可扭曲、轻质甚至可编织的特性——从根本上存在矛盾。
与传统基于刚性平面硅基底的信息处理器不同，开发可行的纤维信息处理器的主要挑战在于需要将大量协同处理的微型器件——如晶体管、电阻器和电容器——集成到具有弹性且细长的纤维中。这一困难源于纤维固有的局限性，包括其柔软、圆柱形的几何结构以及有限的表面积，这些特性为实现必要的集成密度和形成可靠互连以具备有意义的计算功能带来了巨大障碍。在作者的研究中，通过设计一种多层螺旋结构，每一层均包含可拉伸的功能集成电路，这一限制被纤维集成电路所突破。 该设计实现了立体螺旋电路架构的构建，充分利用了纤维内部的径向空间，实现了比局限于表面利用的方法高出一个数量级的体积集成密度。
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图1 | 展示纤维集成电路结构的照片。a，纤维表面集成异或门电路的纤维集成电路照片（比例尺：200微米）及其放大视图（比例尺：40微米）。(1)、(2)、(3)展示了纤维集成电路中电路的均匀性。 b，重建的三维荧光显微照片，显示纤维集成电路中微型器件的连接性。电路可沿纤维圆周360度分布。c，荧光显微照片展示纤维集成电路内的有源驱动电路单元，表明多种器件均可集成到纤维中。比例尺：40微米。d，大规模生产中的纤维集成电路照片。放大照片展示了纤维集成电路中电路的连续性。比例尺：1厘米（左）；1毫米（右）。 e，打结并置于拇指上的纤维集成电路照片，展现了其柔韧性与结构完整性。比例尺：2毫米。
3.2 柔性集成电路的电学特性
作为信息处理电路的核心构建组件，晶体管被密集集成到柔性集成电路中，以实现强大的信号处理功能。该柔性集成电路实现了每厘米10万个晶体管的空前集成密度（图2a），达到了超大规模集成电路的工业标准32。晶体管采用典型的底栅结构设计（图2b），展现出10^7的开关比、10^−10 A级别的漏电流以及1.13 cm2·V^−1·s^−1的迁移率（图2c及补充说明10），这些性能指标与最先进的有机晶体管相当。晶体管在纤维的轴向、径向和圆周方向上均表现出一致的性能，性能波动保持在8%以内（图2d）。
图2 | 柔性集成电路中晶体管与逻辑电路的电学特性。a. 展示集成密度达每厘米10万个晶体管的柔性集成电路。比例尺：100微米。 b. 柔性集成电路中待测晶体管的光学显微照片。白色虚线框标示『半导体』区域。D：漏极；G：栅极；S：源极。比例尺：80微米。 c. 柔性集成电路中晶体管的转移特性曲线，表明其具有高开关比。IDS：漏源电流；IG：栅极电流。 d. 同批次制备的100个晶体管开关比的柱状统计图，显示电学性能的一致性。 e. 柔性集成电路中或非门电路示意图。 f. 柔性集成电路中或非门电路对应输入电压的输出电压响应。 g. 柔性集成电路中与非门电路示意图。 h. 柔性集成电路中与非门电路对应输入电压的输出电压响应。 i. 柔性集成电路中异或门电路示意图。 j. 柔性集成电路中异或门电路对应输入电压的输出电压响应。 k. 柔性集成电路中RS锁存器电路示意图。 l. 柔性集成电路中RS锁存器电路对应输入电压的输出电压响应。 m. 柔性集成电路中模拟电路的扫描电子显微镜🔬图像。比例尺：100微米。 n. 柔性集成电路中模拟电路的仿真设计示意图。GND：接地端；Vdd：漏极供电电压。 o. 基于集成电路中晶体管实际电学测试结果的模拟电路输出统计图。
3.3 纤维集成电路的机械性能
柔性集成电路（FICs）因其内部模量异质结构而具备足够的稳定性和耐久性，能够承受实际植入式或可穿戴应用中出现的各种形变。该结构以交替分布的高模量聚对二甲苯缓冲层与柔软的聚二甲基硅氧烷（PDMS）中间层为特征（图3a,b）。为分析这一特性，研究采用有限元方法对简化FIC模型中众多组件的应变分布进行了模拟。模拟结果表明，聚对二甲苯缓冲层能有效将应变分散至弹性基体中，从而显著降低形变过程中电路局部的应变（图3b）。 通过对实际FIC构型进行系统仿真分析，进一步验证了该设计的有效性。结果表明，在剧烈纤维形变（如弯曲（弯曲半径1 mm）、拉伸（20%）和扭转（180° mm⁻¹））下，电路未出现超过其阈值的显著应变集中。实验方面，机械异质设计同样得到验证，确保了FIC在实际应用遭遇的各种形变下仍保持稳定与耐久（图3c–i）。值得注意的是，即使被15.6吨集装箱卡车碾压后，FIC仍能完全正常工作（图3c–e）。在复杂形变（如弯曲（半径1毫米）、扭转（180° cm⁻¹）和拉伸（30%应变））过程中，FIC的电学特性——包括晶体管的开关比和阈值电压——保持稳定（波动小于5%）（图3f–h）。此外，在实际佩戴条件下，FIC的开关比性能仍保持初始值的92%以上。即使在10天10%拉伸及1000次40°C热循环测试中，FIC仍表现出稳定的电阻和电流输出，波动小于6%，且未观察到电路分层现。FIC在经历10万次磨损循环（图3i）以及1万次弯曲和拉伸循环后仍展现出稳健的性能，电学参数波动始终控制在10%以内——这一韧性水平是使用石英、云母或硅等本征刚性脆性基材的传统电子器件难以实现的。此外，FIC可连续工作12小时，最高温度低于34.5°C。
图3 | 纤维集成电路的稳定性与耐久性。a，示意图展示了模量异质结构设计的基本单元，该单元采用交替分布的高模量聚对二甲苯缓冲层与软弹性夹层结构。b，纤维弯曲过程中的有限元模拟结果表明，聚对二甲苯层通过将应变分散至弹性基体中，有效保护了电路层。 c，纤维集成电路被重达15.6吨的集装箱卡车前轮碾压的实物照片。d，放大照片显示纤维集成电路在卡车前轮碾压下未发生机械损伤。 e，器件在碾压前后的频率响应性能保持一致。f，不同弯曲半径下纤维集成电路中晶体管开关比与阈值电压的统计图。g，不同扭转角度下纤维集成电路中晶体管开关比与阈值电压的统计图。h，不同应变条件下纤维集成电路中晶体管开关比与阈值电压的统计图。i，纤维中晶体管在10万次磨损循环中阈值电压的统计图。
3.4 智能纤维系统的应用
高效信息处理器是构建智能纤维系统的关键元件。以往纤维系统主要依赖外部笨重『芯片』进行信号处理与控制。这种集成模式不可避免地带来了电气互连复杂、穿戴不适及植入不安全等挑战。纤维集成电路通过将供电、传感、信息处理和显示功能等闭环系统集成至单根细纤维中，为纤维系统开创了全新的集成策略（图4a,b）。 如图4b所示，一个直径300微米的纤维系统内部按区段排布着不同功能模块。协同处理单元对传感输入的原始信号进行处理，经逻辑判断后控制显示输出。为满足供电需求，系统集成了热电能量收集单元与储能单元，热电单元通过发电为储能单元充电。可充电储能模块通过串联不同储能单元，可实现1.5至60伏的可调电压输出，充分满足纤维集成电路中功能模块的供电需求。有机发光二极管显示模块实现了104 cd·m⁻²的亮度，有效满足交互应用需求。在2000 cd·m⁻²亮度下，其电流效率达到2.55 cd·A⁻¹，性能与平面器件相当。基于晶体管阵列电路的有源矩阵驱动技术，每个像素均可独立控制（图4c）。纤维集成电路成功实现了无需外部控制单元的自主运行，用户仅需触摸系统集成的传感点即可调控有机发光二极管模块的发光状态（补充视频1）。
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设计示意图，其中多个功能模块实现无缝集成。供能模块同时包含能量收集单元与能量存储单元。NPB：N,N′-双(萘-1-基)-N,N′-双(苯基)-联苯二胺；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实物照片。比例尺：800 μm。 c、显示像素可通过集成于智能纤维系统中的电路独立控制的实物照片。比例尺：300 μm。 d、智能纤维系统可实现高密度传感阵列与原位信号处理电路及刺激电极集成的示意图。 e、集成1024通道/厘米传感电极阵列、直径50 μm的纤维集成电路实物照片。比例尺：50 μm。 f、智能纤维系统周围传感/刺激电极的局部放大照片。比例尺：25 μm。 g、从三个随机选取通道获取的神经信号。 h、通过原位信号放大电路采集的神经信号局部放大图。 i、智能纤维系统可轻松编织成集成电子纺织品的示意图。 j、由主动矩阵驱动电路集成纤维系统编织的像素显示纺织品实物照片。比例尺：1 mm。 k、像素显示纺织品像素间距的局部放大照片。比例尺：500 μm。 l、像素显示纺织品呈现复杂图像能力的实物照片。比例尺：500 μm。 m、智能纤维系统编织的智能纺织品作为柔性触觉界面，在虚拟现实场景（如远程手术）中实现精细触觉感知与自由活动的示意图。 n、由智能纤维系统编织的触觉手套🧤实物照片。比例尺：8 mm。 o、触觉手套🧤表面电刺激强度可设计分布的热力图。 p、触觉手套🧤洗涤前后刺激输出统计图。
A图左侧纤维结构由格索普生物制图团队创作
四、全文总结
在这项工作中，作者提出了一种具有高微器件集成密度和信号处理能力的功能集成电路（FIC），填补了独立工作的纤维器件与闭环功能性纤维系统之间的空白。基于FIC的纤维系统具备完全柔韧性，类似于普通聚合物纱线，有望成为一种新型高效平台，改变人与电子设备的交互方式。为进一步提升计算性能，FIC架构可集成更多高性能处理组件，如二维晶体管，从而拓展其在更先进计算应用中的潜力。为实现FIC从实验室到工厂的转化及商业化，需借鉴纤维电子制造技术推进规模化生产，参照植入式纤维电子建立监管框架，根据具体临床需求延长体内长期稳定性并深化生物安全性评估。
五、文献信息
Wang, Z., Chen, K., Shi, X. et al. Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture. Nature (2026).
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