告别穿透人体 信号实现“沿衣而行”省电且稳定
长期以来，可穿戴设备的信号都需“穿过”高损耗的人体组织。但人体的水分含量高、结构复杂、运动频繁，这些因素都会让电磁信号在人体表面迅速衰减、散射，甚至淹没在噪声中。这也是为什么尽管可穿戴设备层出不穷，但真正可靠、低功耗、可扩展的体域传感网络始终难以实现。
湖南师范大学科研人员联合中国科学技术大学、新加坡国立大学的研究者，研制出一种全新的拓扑服装，实现将电磁信号“锁定”在衣物表面，即使衣服被弯折拉伸或人体活动，信号依然能够稳定传输，“沿衣而行”无需穿透身体，相关成果最近发表于《自然-电子》。
团队研制的全新拓扑服装。王昊昊 摄
一个长期困扰“逼”出的灵感
拓扑物理就像一项“交通规则”，它能确保电流、光路等某种状态即使遇到局部干扰或道路弯曲，也能保持稳定通行，而不会轻易消失或改变。目前，拓扑物理最主流的应用是制造更稳定、低能耗的电子和光电器件等。
“人体其实是无线通信最不友好的环境之一。”论文通讯作者、湖南师范大学副教授刘柱说，在此之前，还没有研究者将拓扑物理应用到人体传感网络研究。
此次研究的灵感来源，其实来自于一个长期困扰。
几年前，刘柱和论文第一作者、中国科学技术大学特任教授李志鹏，共同在论文通讯作者之一、新加坡国立大学教授仇成伟课题组开展研究工作。彼时，他们开展人体传感网络研究时，总被一个老问题挡住突破的路，那就是如何在体表建立一个稳定、低功耗、抗干扰、可扩展的体域网。
“我们试了很多方法，效果都不理想。”刘柱回忆，反复尝试后，团队终于在一次查阅文献时找到灵感。“我们在一个物理文献中关注到拓扑绝缘体的谷霍尔拓扑边界态，它是一种受拓扑保护的特殊边界波传输模式，异常稳定。”
大家随即设想，既然拓扑绝缘体有边界导通的特性，能不能将其用于连接人体上的多个传感器？顺着这个构想，团队历时两年逐步获得突破。
“最大的挑战在于，传统的拓扑光子结构都是基于硅片等硬质基底设计的，而我们需要的是能随衣物弯曲、拉伸的柔性系统。”刘柱说。
刘柱（右）和团队成员对拓扑服装进行测试。王昊昊 摄第一步是长达一年的数值计算，在仿真世界中验证理论的可行性。紧接着是更富挑战的实验材料探索。团队尝试过柔性的罗杰斯板材、柔性PCB电路板，但要么柔性不足，要么加工工艺难以匹配服装。最终，他们将目光投向了一种既有导电性又能像布料一样柔软、可裁剪的材料——金属导电织物。
如何将微米级精度的拓扑结构“印刷”到大面积的导电布上？“加工、集成等问题，都是很磨人的工程挑战。”刘柱介绍，团队最终将谷霍尔拓扑光子晶体单元嵌入柔性织物，并通过拼接不同拓扑相模块，在衣物表面自然形成拓扑边界态。
简单来说，他们先将拓扑结构单元像“印花”一样制作在导电织物上，然后将具有不同拓扑特性的模块像拼布一样拼接起来。关键在于，不同模块交界处会形成一种名为“拓扑边界态”的物理状态。它就像在布料上刻画出一条隐形的、专为电磁波铺设的“信息高速路”，即使衣物被弯折、拉伸，甚至在人体运动过程中，信号依然能够稳定传输。
拓扑服装上的拓扑结构。王昊昊 摄信号“沿衣而行”省电且稳定
这件拓扑服装的性能如何？实验结果显示，在真实人体佩戴条件下，相比传统体域无线通信方案，拓扑服装的片上信号传输效率提升了30至40分贝，相当于提高了三个数量级以上。更重要的是，这种提升并非依赖提高发射功率，而是源于拓扑态对散射和缺陷的天然免疫能力。
“这意味着，我们可以用更低的功耗，实现更稳定的通信。”刘柱说，这对未来无电池或超低功耗可穿戴设备非常关键。
为了验证系统的实际应用潜力，团队将多个传感节点分布在人体不同位置，并结合机器学习算法，用于心率、呼吸等生命体征监测。在跑步、行走等动态场景下，系统依然能够稳定工作，心率信号的信噪比提升超过两个数量级，测量精度显著优于传统单点传感方案。
拓扑服装实时测得的数据。王昊昊 摄应用场景方面，这种基于拓扑边界态的体域网络，有望在远程健康监测、康复医疗、人机交互以及高安全性个人通信等领域发挥作用。由于信号被限制在衣物表面传播，也天然具备更强的抗窃听能力，为数据安全提供了新的物理层保障。
“比如在竞技体育中，有望分布式监测运动员全身肌肉和生理状态；在远程医疗中，为居家老人提供舒适、长期的健康监护；其高安全性的短距离通信特性，也可用于特殊场景下的可靠人机交互。”李志鹏说。
目前，该团队正围绕拓扑服装的舒适性、耐用性、成本和大规模生产等问题开展进一步研究，助力实验室样品尽快变为能实际应用的产品。
“当衣服不仅能穿，还能‘思考’和‘通信’，它就不再只是被动的载体，而会成为人体与外界连接的重要接口。”刘柱表示，这项研究的意义不只是拓扑服装性能的提升，更重要的是证明了拓扑物理不只存在于理想化的实验平台，也可以在复杂、柔软、不断变化的人体环境中发挥作用，让抽象的拓扑概念以“穿在身上”的方式走进真实应用场景。
相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01516-w
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