中國科大微電子學院提出了一種基于谷拓撲超構表面的體表傳感器網絡，首次將拓撲物理應用于生物醫學領域。相關研究以“Body sensor networks based on flexible topological clothing”為題，1月5日在線發表于Nature Electronics。

該研究設計并制備了一種基于柔性導電織物的谷拓撲超構表面，將其集成于日常服裝中，構建了可穿戴、可重構的體表傳感器網絡。該網絡利用拓撲邊界態實現高效、低損耗的無線信號傳輸，顯著提升了穿戴式生物傳感器在運動狀態下的通信質量與生理信號監測能力。

圖1 拓撲織物實物圖以及傳感單位

研究團隊通過設計具有不同拓撲相的二維模塊，實現了多個獨立無線通道的靈活配置。實驗表明，該拓撲服裝在人體表面可實現超過30 dB的信號傳輸增強，且在彎曲、拉伸及人體貼合等復雜條件下仍保持穩定性能。與傳統的輻射式通信網絡相比，該系統在能量效率、抗干擾性和數據安全性方面均具有顯著優勢。

圖2 運動狀態下的高靈敏度生命體征監測。a, 集成三個加速度計的拓撲織物、傳感單位、數據中樞以及用于對比的標準ECG信號。b, 用于提取純凈心跳和呼吸信號的兩種算法。c, 靜止狀態下前30秒的原始傳感數據（左）以及經處理后得到的心跳與呼吸模式（右）

在生理監測實驗中，研究團隊將該拓撲服裝與多個加速度計、藍牙模塊集成，結合自適應濾波與人工智能算法，成功在運動狀態下實現了對心率、呼吸率等關鍵生理參數的高精度監測。實驗結果顯示，該系統在運動狀態下信噪比提升超過兩個數量級，心率檢測準確率提升約三倍。該研究首次將拓撲光子結構與可穿戴生物醫學傳感深度融合，為下一代智能健康監護提供了新思路，也為拓撲物理在生物醫學工程中的應用開辟了新路徑。

中國科大微電子學院特任教授李志鵬為論文第一作者，湖南師范大學副教授劉柱為共同一作和通訊作者，通訊作者還包括湖南師范大學教授景輝以及新加坡國立大學Cheng-Wei Qiu教授。

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https://www.nature.com/articles/s41928-025-01516-w