Nature Electronics | 中科大与新加坡国立大学联合研发“拓扑衣”，打造人体“高速”传感网络

这项研究的核心在于利用**拓扑边缘态（Topological Edge States）**的物理特性，在柔软的织物上构建了抗干扰、低损耗的信号传输通道。

研究人员设计了一种基于平面谷霍尔（Valley-Hall）效应的二维拓扑光子晶体结构。他们利用激光切割技术，将极薄的金属导电织物加工成特殊的“花瓣状”谐振器阵列。

通过组合两种具有不同拓扑相位的模块（模块A和模块B），在它们的交界处会产生受拓扑保护的边缘态。这种边缘态就像一条受保护的专用通道，将电磁波紧紧束缚在服装表面传输。

与传统的辐射式无线网络相比，这种拓扑衣将信号在人体表面的传输效率提高了三个数量级（超过 30 dB）。这意味着传感器可以用更低的功耗实现更稳定的通信，且信号不易被外界截获。

基于拓扑超材料的柔性服装与人体传感网络概念图

传统的刚性超材料一旦弯曲，性能就会大幅下降。而这款“拓扑衣”专为人体设计，具有优异的机械柔韧性。

只要改变模块A和模块B的拼接方式，就可以在衣服上自由规划信号传输的路径和通道数量（如图1e所示），实现了极高的设计自由度。

实验表明，即使在90°大角度弯曲或紧贴人体皮肤的情况下，这种拓扑波导仍能保持高效的传输性能，弯曲损耗极低。这解决了传统拓扑器件难以与柔软生物组织集成的难题。

拓扑衣的实物表征、传输性能及抗弯折测试

为了验证其实用价值，研究团队构建了一个包含多个传感器的监测系统，用于记录受试者在站立、行走和跑步时的心率和呼吸。

在剧烈运动中，传统传感器的信号往往被运动伪影淹没。而通过拓扑衣连接的传感器网络，结合机器学习算法，成功将心率监测的信噪比（SNR）提高了两个数量级。

与未穿戴拓扑衣的对照组相比，该系统的检测准确率提高了3倍，能够清晰地从运动噪声中提取出微弱的心跳和呼吸信号。

运动过程中基于拓扑衣的高信噪比生命体征监测演示

尽管这项技术展示了令人兴奋的应用前景，但要真正走进大众的衣柜，仍需克服一些工程和实用化挑战：

作为衣物，必须经受住反复的水洗和日常磨损。虽然使用了热压工艺粘合导电织物，但在长期的机械应力和洗涤剂化学作用下，金属结构的导电性和拓扑特性是否能持久保持，仍需长期测试。

虽然激光切割相对简单，但要制造覆盖全身的大面积高精度拓扑阵列，成本和时间仍然较高。探索更适合纺织工业的大规模制造工艺（如丝网印刷或提花编织）是未来的方向。

目前的设计主要针对2.4 GHz频段（蓝牙/Wi-Fi）。在日益拥挤的无线电环境中，如何设计支持多频段或宽带通信的拓扑结构，以避免干扰并提高兼容性，是一个需要解决的物理难题。

中科大与新国大团队的这项成果，成功搭建了“拓扑物理学”与“可穿戴电子”之间的桥梁。

它证明了深奥的拓扑物理概念完全可以转化为服务于人类健康的实用技术。这种“拓扑衣”不仅为低功耗、高精度的多点医疗监测提供了硬件基础，也为未来的智能服装设计——让衣物成为人机交互的智能界面——开辟了全新的技术路径。