一根柔软的纤维，能不能不只是电路的载体，而是成为电路本身？东华大学朱美芳院士、王刚研究员等给出了一种新的答案：通过微流控编码纺丝，将不同功能材料按照预先设计的空间关系组织到连续纤维中，在纺丝过程中构筑器件结构与电路互连，让纤维本身成为电路。相关成果以“Programmable spinning of integrated circuit fibres”为题发表于Nature Electronics期刊。
https://www.nature.com/articles/s41928-026-01712-2
依托同一套微流控编码纺丝平台，团队分别构筑了能够实现彩色电致发光、模拟信号处理、数字逻辑运算和非接触空间感知的电路集成纤维，并进一步通过织物系统演示了无人机控制、机械臂空间定位追踪等人机交互应用。王刚研究员、孙恒达研究员为论文通讯作者，相关工作得到朱美芳院士指导，并得到国家自然科学基金、国家重点研发项目等支持。
让纤维本身成为电路
柔软的织物，如何容纳显示、感知和计算等电子功能？一种常见思路，是将刚性芯片或离散器件贴附到柔性基底上。但器件与纤维、织物之间仍可能存在形变不匹配、互连不稳定等问题；热拉伸、光刻等纤维集成方法也受到材料耐热性、预制体复杂度、纤维表面形貌或规模化加工条件的限制。
这项研究选择了另一条路径：不只是把现成电路放到纤维上，而是让不同功能材料在纺丝过程中按设计排列，在纤维内部形成器件结构和连接关系，由此构筑电路集成纤维。四类纤维对应不同的信号转换与调控机制（图1）：电子—光子转换带来发光，电子—电子调制实现模拟信号处理，电子—离子耦合支撑有源逻辑运算，准静态电场调控用于非接触空间交互。不同功能模块集成遵循同一套结构设计与编码制造规则，是这项工作的核心价值。
图1. 从“纤维承载电路”到“纤维即电路”：同一设计平台支撑四类基础功能模块
把电路设计变成纺丝程序
这套方法的关键，是把电路设计转化为纺丝过程中的微流编码程序。研究团队设计了具有五个输入通道的微流控纺丝芯片，并通过独立气动泵对各通道纺丝液流量进行调控。以高弹性的热塑性聚氨酯（TPU）作为统一基体，团队将银导电填料、发光颗粒、介电材料及半导体材料等功能材料分别引入不同流道，使功能层在纺丝过程中按预设程序连接、断开、叠加或渐变。该方法遵循纤维“径向器件设计+轴向电路互连”的设计规则，通过调控不同纺丝液的层间扩散与轴向弥散，将时域流量编码转化为纤维功能结构的空间编码（图2），并据此建立了可扩展的电子功能模块库。从材料排列到器件结构，再到电路连接，纺丝不再只是成形过程，也成为组织电子功能的制造过程。
图2. 把流量编码程序转化为纤维结构：通过多通道微流控编码，在横截面上设计器件、沿长度方向编排功能模块与互连。
单根纤维实现三原色电致发光
通过编排红、绿、蓝三原色发光层的组合与厚度比例，研究团队把不同色彩以及连续的色彩变化“写”进同一根纤维，构筑了彩色电致发光纤维（EL-IC纤维），并展示了其在织物中的发光效果。
这类纤维以Ag/TPU作为两侧导电层，以ZnS:Cu/TPU与红、绿、蓝三色荧光颜料构成中间发光层。利用微流控时域开关编码与波形编码，使三色发光层在纤维长度方向上形成不同的组合与厚度比例；在交流电场驱动下，纤维呈现出涵盖宽色域的彩色电致发光（图3）。这一演示说明，纤维发光模块可以按照预设程序连续构筑，“材料配方＋空间编码”共同决定功能输出，为发光纤维与织物显示提供了新的设计方式。
图3.把彩色写进一根纤维：通过三原色发光层编码，实现不同颜色组合、连续色彩变化与彩色织物发光展示
无源模拟信号处理和有源数字逻辑运算
纤维不仅可以输出光信号，也可以处理电信号。团队进一步在纤维内部构筑电阻、电容与晶体管模块，将模拟信号处理和数字逻辑运算带入纤维结构。
无源模拟信号处理。利用Ag/TPU导电层和BaTiO3/TPU介电层，在纤维内部连续构筑了串联或并联的电容与电阻模块，形成RC-IC纤维。通过一阶RC等效电路模型，建立几何尺寸与阻抗、电容特性的联系，并实现积分、微分以及低通／高通滤波的信号处理能力。
有源数字逻辑运算。基于该微流控编码纺丝技术在纤维内构建了包含栅极、绝缘层、源极、半导体层和漏极的五层异质结构。通过对栅极和漏极的轴向时域编码在纤维内集成了多个有机电化学晶体管（OECT）器件模块，实现“与”（AND）、“或”（OR）逻辑门与阶梯式数模转换。结合电阻、电容模块，还构筑了可调滤波器、反相器等单纤维电路。
图4. 从模拟信号处理到数字逻辑运算：RC-IC纤维实现积分、微分与滤波，OECT-IC纤维实现基本逻辑门、阶梯式数模转换等功能
让织物感知空间：隔空人机交互
不接触织物，也能感知位置变化。团队构筑了由Ag/TPU发射电极、BaTiO3/TPU介电层和Ag/TPU接收电极组成的EQS-IC纤维。该纤维利用电准静态场调制和电容耦合效应，实现了感知目标物体距离变化的非接触传感。并基于四根EQS-IC纤维构筑了空间遥控织物和自动追踪织物，实现了其在无人机、机械臂等非接触空间遥控，及机械臂夹爪自动追踪目标物体等非接触式人机交互演示（图5）。纤维负责感知，采集与算法系统完成解算，执行端作出响应，形成从纤维器件到空间交互系统的应用演示，为纤维在具身智能界面中的应用提供了新的实现方式。
图5. 四根纤维构成空间交互织物：结合距离—电压映射与定位算法，实现非接触空间感知，并用于无人机控制、机械臂定位与自动追踪演示
小结：把电路制造融入纺丝工艺，让纤维本身成为电路
从发光到运算，再到空间交互，这项工作的意义不只是分别做出四类功能纤维，而是建立了一套贯通功能材料空间组织、纤维器件构筑与电路互连的设计制造方法。在保留纤维柔顺性、可缝合性和可织造性的同时，微流控编码纺丝为不同电子功能提供了可组合的基础模块。这为可穿戴计算、柔性人机交互、软体机器人和具身智能系统提供了新的技术路径。
团队介绍｜从半导体功能纤维到可编织智能系统
东华大学王刚研究员长期聚焦半导体功能纤维、纤维电子器件、电子织物与智能系统开展前沿交叉研究。在纤维设计方面，通过剪切增强液晶纺丝、杂化策略与精密表界面调控，实现高性能聚合物半导体纤维和电子—离子杂化纤维的受控构筑。代表成果：Natl. Sci. Rev. 2025, nwaf331；Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202418999；Adv. Funct. Mater. 2025, e15197。在器件制造方面，开发直接微光刻、高精度混合流打印、曲面光刻及一体化流体加工等技术，推进从单纤维电化学晶体管到晶圆级有机半导体集成电路的加工制造。代表成果：Adv. Mater. 2025, 2417452；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020, 117, 202000398；Chem. Mater. 2023, 35, 22, 9739。在智能系统方面，探索纤维基脉冲神经网络的反向传播硬件实现及先进神经接口应用，为柔性类脑智能与生物电子系统拓展实现路径。代表成果：Adv. Mater. 2025, e14904；Adv. Mater. 2025, e10659；Nat. Commun. 2023, 14, 2355。本次集成电路纤维成果，进一步将功能材料的空间组织与电路制造相结合，拓展了团队从功能纤维走向可编织智能系统的研究布局。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。
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