中国科大：提出基于拓扑超构表面的可穿戴生物传感技术

中国科大微电子学院提出了一种基于谷拓扑超构表面的体表传感器网络，首次将拓扑物理应用于生物医学领域。相关研究以“Body sensor networks based on flexible topological clothing”为题，1月5日在线发表于Nature Electronics。

该研究设计并制备了一种基于柔性导电织物的谷拓扑超构表面，将其集成于日常服装中，构建了可穿戴、可重构的体表传感器网络。该网络利用拓扑边界态实现高效、低损耗的无线信号传输，显著提升了穿戴式生物传感器在运动状态下的通信质量与生理信号监测能力。

图1 拓扑织物实物图以及传感单位

研究团队通过设计具有不同拓扑相的二维模块，实现了多个独立无线通道的灵活配置。实验表明，该拓扑服装在人体表面可实现超过30 dB的信号传输增强，且在弯曲、拉伸及人体贴合等复杂条件下仍保持稳定性能。与传统的辐射式通信网络相比，该系统在能量效率、抗干扰性和数据安全性方面均具有显著优势。

图2 运动状态下的高灵敏度生命体征监测。a, 集成三个加速度计的拓扑织物、传感单位、数据中枢以及用于对比的标准ECG信号。b, 用于提取纯净心跳和呼吸信号的两种算法。c, 静止状态下前30秒的原始传感数据（左）以及经处理后得到的心跳与呼吸模式（右）

在生理监测实验中，研究团队将该拓扑服装与多个加速度计、蓝牙模块集成，结合自适应滤波与人工智能算法，成功在运动状态下实现了对心率、呼吸率等关键生理参数的高精度监测。实验结果显示，该系统在运动状态下信噪比提升超过两个数量级，心率检测准确率提升约三倍。该研究首次将拓扑光子结构与可穿戴生物医学传感深度融合，为下一代智能健康监护提供了新思路，也为拓扑物理在生物医学工程中的应用开辟了新路径。

中国科大微电子学院特任教授李志鹏为论文第一作者，湖南师范大学副教授刘柱为共同一作和通讯作者，通讯作者还包括湖南师范大学教授景辉以及新加坡国立大学Cheng-Wei Qiu教授。

原文链接：

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