我国科学家首创拓扑物理生物医学应用 可穿戴设备监测精度实现重大突破

(问题)近年来,可穿戴健康设备加速普及,从运动记录到慢病管理应用日益广泛。

然而在跑步、骑行等动态场景中,人体姿态变化、衣物褶皱拉伸、汗液与贴合度变化等因素会引发信号衰减与干扰,造成数据“漂移”与误报,影响心率、呼吸等关键指标的连续监测质量。

如何在不增加负担、不牺牲舒适性的前提下,实现稳定可靠的体表多点感知与数据回传,成为可穿戴技术向医疗健康纵深发展的关键瓶颈之一。

(原因)传统穿戴式传感系统通常依赖辐射式无线链路或单点设备的近距离连接。

其一,信号在人体表面传播时容易受遮挡、姿态变化与环境电磁噪声影响,链路稳定性不足;其二,多传感器并发工作时通道互扰明显,难以兼顾能耗与可靠性;其三,数据在空口传播更易受到外部干扰与窃听风险,安全性与隐私保护面临更高要求。

换言之,现有路径在“运动—多点—低功耗—高可靠”这一组合目标上存在结构性矛盾。

(影响)针对上述痛点,中国科学技术大学微电子学院研究团队提出一种基于谷拓扑超构表面的体表传感器网络思路,并将柔性导电织物制成的谷拓扑超构表面嵌入日常服装,构建可穿戴、可重构的体表网络。

该网络利用拓扑边界态的传输特性实现高效、低损耗的信号传递,从而提升运动状态下的通信质量与生理信号采集能力。

研究团队通过设计不同拓扑相的二维模块,实现多个独立无线通道的灵活配置,相当于在衣物表面“规划”多条互不干扰的专属通道,便于多传感器组网协同。

实验结果显示,该拓扑服装在人体表面可实现超过30分贝的信号传输增强,并在弯曲、拉伸以及复杂贴合条件下保持性能稳定。

与传统辐射式通信网络相比,该系统在能量效率、抗干扰能力以及数据安全性方面表现更为突出。

在应用验证方面,研究团队将该拓扑服装与多个加速度计、蓝牙模块集成,并结合自适应滤波等信号处理方法,实现运动状态下心率、呼吸率等关键参数的高精度监测。

实验显示,运动场景中系统信噪比提升超过两个数量级,心率监测准确率提升约三倍。

这意味着在强动态干扰条件下,可穿戴设备从“能测到”进一步迈向“测得准、传得稳、耗得少”,为连续健康监护提供更坚实的数据底座。

(对策)业内普遍认为,提升可穿戴监测可靠性,需要从材料、结构、算法与系统工程多维协同推进。

此次研究体现出“从传输机制入手”的系统性解题思路:一是以柔性纺织物为载体,兼顾可穿戴性与可制造性;二是以模块化二维单元实现通道可配置,便于不同应用按需组合、快速迭代;三是在信号端结合滤波与多源信息融合,提高运动伪影抑制能力。

面向进一步落地,还需在标准化接口、长期耐用性评估、人体工学与洗涤维护、以及数据安全合规等方面持续完善,并通过更多人群、更多运动类型和更长周期的验证,建立可重复、可对照的临床与应用证据。

(前景)从技术演进看,可穿戴健康监护正从单点采集走向“全身网络化感知”,从静态测量走向动态连续监测。

将拓扑物理相关机制引入柔性可穿戴系统,为体表信号的低损耗定向传输提供了新的工程路径,有望推动运动健康评估、康复训练监测、慢病管理等场景的能力跃升。

未来,若能与更丰富的传感器类型(如肌电、血氧、体温、压力等)以及更高效的边缘计算与安全机制结合,并在成本与规模化制造方面取得突破,体表“衣物级”传感网络有望成为智慧医疗与公共健康管理的重要基础设施之一。

这项研究成果充分体现了科学创新对人类健康事业的深远影响。

通过将拓扑物理这一前沿理论与可穿戴技术相融合,研究团队成功突破了传统生物传感技术的瓶颈,为精准医疗和主动健康管理提供了新的技术手段。

随着该技术的进一步完善和产业化推进,有望在健康监测、疾病预防和个性化医疗等领域产生广泛而深远的影响,为人民群众的健康福祉做出更大贡献。