近日，Nature Electronics报道了一种柔性拓扑电磁超材料与功能性服饰、可穿戴系统相结合的全新研究工作。该工作发展了一种由导电布制成的二维拓扑模块，突破了传统拓扑光子器件因低柔韧性、高弯曲损耗而难以与生物系统集成的问题，提出了基于拓扑相变的可重构人体传感网络，在运动场景下实现了稳定、低功耗、可重构的体域通信与多传感器协同感知。相关成果以“Body sensor networks based on flexible topological clothing”为题发表于Nature Electronics期刊。
论文共同第一作者为中国科学技术大学李志鹏教授和湖南师范大学刘柱副教授，共同通讯作者为湖南师范大学的刘柱副教授和景辉教授、新加坡国立大学仇成伟教授。该工作得到了国家自然科学基金项目、湖南省揭榜挂帅项目和湖南省自然科学基金等项目的支持。
拓扑自由度可用于波的调控，能够实现超越传统器件设计范式的功能。在对称性保护的拓扑序的调控下，拓扑器件具有非平庸能带结构和拓扑边界模。这类设计已被广泛应用于光子超材料中，激发出诸如对缺陷和无序具有鲁棒性的波导传输等新奇波动现象，并在激光器和光子源等方面展现出重要的实际应用价值。然而，拓扑超材料与生物系统集成仍然十分有限，其主要受制于器件柔性不足、弯曲损耗较大以及在生物环境中能量耗散较高等挑战。此外，超材料与生物系统之间的柔性界面在人体传感网络中具有重要应用潜力。
现有的人体传感网络要求兼具多功能与抗窃听的能力，实现方法多采用线圈中继的微波近场，或人工表面等离激元超材料的表面波传输技术，这类方法的一维单元结构限制了高自由度、多功能人体传感器网络的实现。因此，发展一种基于二维可重构拓扑模块的新型体域网，兼具拓扑物理的鲁棒性与柔性电子的生物相容性，对突破当前技术瓶颈、推动下一代高自由度可穿戴传感系统发展具有重要意义。
图2 拓扑超材料衣服的信号传输性能实验与验证。
图3 拓扑超材料衣服在人体表面的信号传输性能实验与验证。
图4 基于拓扑超材料的可穿戴系统在运动状态下的体征监测（心跳、呼吸）。
本研究使用导电布设计并制造了极薄的柔性拓扑衣服，突破了拓扑光子器件与人体集成时低柔韧性和高能量损失的物理限制，发展了一种高自由度、功能可重构人体传感网络的实现方法。实验上，该方法在人体上的信号传输增强了三个数量级；由拓扑衣服连接的多个生物传感器进行体征监测，在运动状态下实现了两个数量级以上的信噪比提升，检测精度提高了3倍。这项工作在拓扑物理与生物系统之间架起了桥梁，为将光子概念(如拓扑绝缘体和连续谱中的束缚态)引入并应用于生物医学奠定了基础。
论文信息：Zhipeng Li†, Zhu Liu*†, Zhen Wang, Yikuan Deng, Shuihua Yang, Jianfeng Chen, Qihang Zeng, Yuzhe Zhong, Haitao Yang, Ze Xiong, Xi Tian, Gaosheng Li, Yang Chen, Hui Jing*, John S. Ho, and Cheng-Wei Qiu*
DOI：https://doi.org/10.1038/s41928-025-01516-w
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41928-025-01516-w
中国科大微电子学院李志鹏教授正在招博后一名，要求具有射频芯片RFIC设计和测试经验，感兴趣请联系zhipeng.li@ustc.edu.cn，课题组详细介绍见https://faculty.ustc.edu.cn/zhipengli。
撰稿|课题组
