复旦大学彭慧胜/陈培宁教授团队智能纤维最新Nature！

一、研究背景

纤维电子器件已实现供电、传感、显示等多种功能，正推动传统纤维和服装向新一代可穿戴设备转型，但作为智能交互纤维系统核心的**信息处理纤维**仍是技术缺口。现有纤维系统严重依赖外部笨重的刚性信息处理器，与纤维器件柔性、可拉伸、可编织、轻量化的本质相悖，导致电气连接复杂、佩戴舒适度差、植入安全性不足等问题。核心挑战在于：需在纤细、柔性的纤维中集成大量协作处理微器件（晶体管、电阻、电容等），克服纤维圆柱形几何结构、表面积有限的固有约束，实现高集成密度和可靠互连。

复旦大学彭慧胜教授、陈培宁研究员团队突破传统芯片硅基研究范式，率先提出并制备“纤维芯片”，在弹性的高分子纤维内实现大规模集成电路，成功将供电、传感、显示、信号处理等多功能集成于一根纤维之内，为纤维电子系统开辟全新的集成路径。有望为脑机接口、电子织物、虚拟现实等新兴产业提供强有力的技术支撑。

二、研究亮点

1. 采用多层螺旋结构，实现每厘米10万个晶体管的空前集成密度，达到超大规模集成电路的工业标准，满足交互纤维系统的信息处理需求。

2. 兼具数字电路（逻辑门、锁存器）、模拟电路（射频滤波器、波形发生器）功能，还能实现类最先进内存内图像处理器的神经计算， Olivetti Research Laboratory数据库识别准确率达99.8%。

3. 模量异质结构（交替分布高模量聚对二甲苯缓冲层与软PDMS夹层）赋予器件超强耐受性，可承受10,000次弯曲拉伸、30%拉伸、180°·cm?1扭转、10万次磨损，甚至15.6吨集装箱卡车碾压，电气性能变异小于10%。

4. 首次在单根纤维中实现供电、传感、信息处理、显示的闭环功能，无需外部刚性处理器，为脑机接口、智能纺织品等场景提供全柔性解决方案。

三、研究内容

（一）器件设计与制备

1. 核心结构：采用多层螺旋架构，将可拉伸功能集成电路集成于每层，最大化纤维径向空间， volumetric集成密度较表面利用方法提升一个数量级；引入模量异质结构，通过聚对二甲苯缓冲层分散应变，保护电路层免受形变损伤。

Fig.1 Photographs showing the structure of FlCs.

2. 制备工艺：通过光刻在弹性聚合物基底上构建功能模块，采用改性卷绕策略组装成FIC——关键优化包括：聚对二甲苯封装提升耐溶剂性、PDMS夹层缓解形变应力、粘性夹层与加厚边缘改善层间粘附。可通过调整光刻分辨率和基底尺寸，按需调控FIC的集成密度、直径和长度，实现米级规模化制备。

3. 核心组件：晶体管采用底栅结构，开关比达10?，漏电流为10?1? A，迁移率1.13 cm2·V?1·s?1；有机电化学晶体管（OECT）开关比10?，阈值电压-1.2 V，为神经计算提供低功耗高灵敏度基础。

（二）性能表征

1. 电路功能：

Fig. 2 | Electrical properties of transistors and logic circuits in FICs.

   - 数字电路：实现NOR、NAND、XOR逻辑门及RS锁存器，响应曲线与理论真值表高度吻合，可完成加减运算和信号同步控制。

   - 模拟电路：集成晶体管、电阻和电容，设计的波形发生器稳定输出周期1 s、脉冲宽度100 ms的信号，性能媲美电疗刺激设备商用芯片。

   - 神经计算：基于OECT阵列构建神经网络，经5000张训练图像、1000张测试图像训练1000个epoch后，图像识别准确率达99.8%。

Fig. 3 | Stability and durability of FICs. 

2. 机械稳定性：弯曲半径1 mm、拉伸30%、扭转180°·cm?1时，晶体管开关比和阈值电压变异小于5%；10万次磨损、10,000次弯曲拉伸后仍保持稳定性能；15.6吨卡车碾压后频率响应无变化；连续工作12 h最高温度低于34.5 ℃，无过热风险。

3. 一致性：晶体管在纤维轴向、径向、周向的性能变异小于8%，确保整体电路可靠协作。

（三）应用验证

Fig. 4 | Integration and application of intelligent fibre systems.

1. 闭环智能纤维系统：单根300 μm直径纤维集成供电（热电能量收集+储能模块，输出电压1.5-60 V可调）、传感、处理、显示（OLED亮度10? cd·m?2，效率2.55 cd·A?1）模块，可通过触摸传感点调控OLED发光。

2. 脑机接口：50 μm直径FIC集成每厘米1024通道传感电极阵列，实现16通道神经信号采集，原位信号放大后信噪比达7.5 dB，植入8周后信号稳定，生物相容性经FDA批准材料验证。

3. 智能纺织品：可与尼龙纱线编织成20 cm×10 cm电子织物，基于有源矩阵驱动电路实现像素级显示，单像素功耗5 mW，可按需显示复杂图像，机洗后刺激电流稳定。

4. 虚拟现实触觉手套：编织的柔性触觉手套集成刺激阵列与一对一驱动电路，可精准区分手指精细触觉模式，刺激电流可编程调控。

四、总结与展望

该研究通过多层螺旋架构与模量异质设计，成功研发出高集成密度、多模态计算能力、极致稳定性的纤维集成电路（FIC），填补了信息处理纤维的技术空白。FIC首次在单根纤维中实现闭环功能，摆脱了对外部笨重处理器的依赖，其每厘米10万个晶体管的集成密度、全场景机械耐受性及多模态计算能力，远超现有纤维电子器件，推动纤维电子从单一功能器件向智能系统转型。

文献链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09974-0