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(wǎng)絡，首次將拓撲物理應用于生物醫(yī)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(fā)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(wǎng)絡。該網(wǎng)絡利用拓撲邊界態(tài)實現(xiàn)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(tài)下的通信質(zhì)量與生理信號監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(wěn)定性能。與傳統(tǒng)的輻射式通信網(wǎng)絡相比，該系統(tǒng)在能量效率、抗干擾性和數(shù)據(jù)安全性方面均具有顯著優(yōu)勢。

圖2 運動狀態(tài)下的高靈敏度生命體征監(jiān)測。a, 集成三個加速度計的拓撲織物、傳感單位、數(shù)據(jù)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(tài)下前30秒的原始傳感數(shù)據(jù)（左）以及經(jīng)處理后得到的心跳與呼吸模式（右）

在生理監(jiān)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(tài)下實現(xiàn)了對心率、呼吸率等關鍵生理參數(shù)的高精度監(jiān)測。實驗結果顯示，該系統(tǒng)在運動狀態(tài)下信噪比提升超過兩個數(shù)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(yī)學傳感深度融合，為下一代智能健康監(jiān)護提供了新思路，也為拓撲物理在生物醫(yī)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