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長(zhǎng)期以來(lái)，可穿戴設(shè)備的信號(hào)都需“穿過(guò)”高損耗的人體組織。但人體的水分含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)頻繁，這些因素都會(huì)讓電磁信號(hào)在人體表面迅速衰減、散射，甚至淹沒(méi)在噪聲中。這也是為什么盡管可穿戴設(shè)備層出不窮，但真正可靠、低功耗、可擴(kuò)展的體域傳感網(wǎng)絡(luò)始終難以實(shí)現(xiàn)。

湖南師范大學(xué)科研人員聯(lián)合中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)的研究者，研制出一種全新的拓?fù)浞b，實(shí)現(xiàn)將電磁信號(hào)“鎖定”在衣物表面，即使衣服被彎折拉伸或人體活動(dòng)，信號(hào)依然能夠穩(wěn)定傳輸，“沿衣而行”無(wú)需穿透身體，相關(guān)成果最近發(fā)表于《自然-電子》。

團(tuán)隊(duì)研制的全新拓?fù)浞b。王昊昊 攝

一個(gè)長(zhǎng)期困擾“逼”出的靈感

拓?fù)湮锢砭拖褚豁?xiàng)“交通規(guī)則”，它能確保電流、光路等某種狀態(tài)即使遇到局部干擾或道路彎曲，也能保持穩(wěn)定通行，而不會(huì)輕易消失或改變。目前，拓?fù)湮锢碜钪髁鞯膽?yīng)用是制造更穩(wěn)定、低能耗的電子和光電器件等。

“人體其實(shí)是無(wú)線(xiàn)通信最不友好的環(huán)境之一?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、湖南師范大學(xué)副教授劉柱說(shuō)，在此之前，還沒(méi)有研究者將拓?fù)湮锢響?yīng)用到人體傳感網(wǎng)絡(luò)研究。

此次研究的靈感來(lái)源，其實(shí)來(lái)自于一個(gè)長(zhǎng)期困擾。

幾年前，劉柱和論文第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)特任教授李志鵬，共同在論文通訊作者之一、新加坡國(guó)立大學(xué)教授仇成偉課題組開(kāi)展研究工作。彼時(shí)，他們開(kāi)展人體傳感網(wǎng)絡(luò)研究時(shí)，總被一個(gè)老問(wèn)題擋住突破的路，那就是如何在體表建立一個(gè)穩(wěn)定、低功耗、抗干擾、可擴(kuò)展的體域網(wǎng)。

“我們?cè)嚵撕芏喾椒?，效果都不理想?！眲⒅貞?，反?fù)嘗試后，團(tuán)隊(duì)終于在一次查閱文獻(xiàn)時(shí)找到靈感。“我們?cè)谝粋€(gè)物理文獻(xiàn)中關(guān)注到拓?fù)浣^緣體的谷霍爾拓?fù)溥吔鐟B(tài)，它是一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的特殊邊界波傳輸模式，異常穩(wěn)定?！?/p>

大家隨即設(shè)想，既然拓?fù)浣^緣體有邊界導(dǎo)通的特性，能不能將其用于連接人體上的多個(gè)傳感器？順著這個(gè)構(gòu)想，團(tuán)隊(duì)歷時(shí)兩年逐步獲得突破。

“最大的挑戰(zhàn)在于，傳統(tǒng)的拓?fù)涔庾咏Y(jié)構(gòu)都是基于硅片等硬質(zhì)基底設(shè)計(jì)的，而我們需要的是能隨衣物彎曲、拉伸的柔性系統(tǒng)?！眲⒅f(shuō)。

劉柱（右）和團(tuán)隊(duì)成員對(duì)拓?fù)浞b進(jìn)行測(cè)試。王昊昊 攝

第一步是長(zhǎng)達(dá)一年的數(shù)值計(jì)算，在仿真世界中驗(yàn)證理論的可行性。緊接著是更富挑戰(zhàn)的實(shí)驗(yàn)材料探索。團(tuán)隊(duì)嘗試過(guò)柔性的羅杰斯板材、柔性PCB電路板，但要么柔性不足，要么加工工藝難以匹配服裝。最終，他們將目光投向了一種既有導(dǎo)電性又能像布料一樣柔軟、可裁剪的材料——金屬導(dǎo)電織物。

如何將微米級(jí)精度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)“印刷”到大面積的導(dǎo)電布上？“加工、集成等問(wèn)題，都是很磨人的工程挑戰(zhàn)?！眲⒅榻B，團(tuán)隊(duì)最終將谷霍爾拓?fù)涔庾泳w單元嵌入柔性織物，并通過(guò)拼接不同拓?fù)湎嗄K，在衣物表面自然形成拓?fù)溥吔鐟B(tài)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們先將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單元像“印花”一樣制作在導(dǎo)電織物上，然后將具有不同拓?fù)涮匦缘哪K像拼布一樣拼接起來(lái)。關(guān)鍵在于，不同模塊交界處會(huì)形成一種名為“拓?fù)溥吔鐟B(tài)”的物理狀態(tài)。它就像在布料上刻畫(huà)出一條隱形的、專(zhuān)為電磁波鋪設(shè)的“信息高速路”，即使衣物被彎折、拉伸，甚至在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，信號(hào)依然能夠穩(wěn)定傳輸。

拓?fù)浞b上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。王昊昊 攝

信號(hào)“沿衣而行”省電且穩(wěn)定

這件拓?fù)浞b的性能如何？實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在真實(shí)人體佩戴條件下，相比傳統(tǒng)體域無(wú)線(xiàn)通信方案，拓?fù)浞b的片上信號(hào)傳輸效率提升了30至40分貝，相當(dāng)于提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。更重要的是，這種提升并非依賴(lài)提高發(fā)射功率，而是源于拓?fù)鋺B(tài)對(duì)散射和缺陷的天然免疫能力。

“這意味著，我們可以用更低的功耗，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的通信?！眲⒅f(shuō)，這對(duì)未來(lái)無(wú)電池或超低功耗可穿戴設(shè)備非常關(guān)鍵。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用潛力，團(tuán)隊(duì)將多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)分布在人體不同位置，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用于心率、呼吸等生命體征監(jiān)測(cè)。在跑步、行走等動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，系統(tǒng)依然能夠穩(wěn)定工作，心率信號(hào)的信噪比提升超過(guò)兩個(gè)數(shù)量級(jí)，測(cè)量精度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)單點(diǎn)傳感方案。

拓?fù)浞b實(shí)時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。王昊昊 攝

應(yīng)用場(chǎng)景方面，這種基于拓?fù)溥吔鐟B(tài)的體域網(wǎng)絡(luò)，有望在遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)、康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)交互以及高安全性個(gè)人通信等領(lǐng)域發(fā)揮作用。由于信號(hào)被限制在衣物表面?zhèn)鞑?，也天然具備更?qiáng)的抗竊聽(tīng)能力，為數(shù)據(jù)安全提供了新的物理層保障。

“比如在競(jìng)技體育中，有望分布式監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員全身肌肉和生理狀態(tài)；在遠(yuǎn)程醫(yī)療中，為居家老人提供舒適、長(zhǎng)期的健康監(jiān)護(hù)；其高安全性的短距離通信特性，也可用于特殊場(chǎng)景下的可靠人機(jī)交互?！崩钪均i說(shuō)。

目前，該團(tuán)隊(duì)正圍繞拓?fù)浞b的舒適性、耐用性、成本和大規(guī)模生產(chǎn)等問(wèn)題開(kāi)展進(jìn)一步研究，助力實(shí)驗(yàn)室樣品盡快變?yōu)槟軐?shí)際應(yīng)用的產(chǎn)品。

“當(dāng)衣服不僅能穿，還能‘思考’和‘通信’，它就不再只是被動(dòng)的載體，而會(huì)成為人體與外界連接的重要接口?！眲⒅硎?，這項(xiàng)研究的意義不只是拓?fù)浞b性能的提升，更重要的是證明了拓?fù)湮锢聿恢淮嬖谟诶硐牖膶?shí)驗(yàn)平臺(tái)，也可以在復(fù)雜、柔軟、不斷變化的人體環(huán)境中發(fā)揮作用，讓抽象的拓?fù)涓拍钜浴按┰谏砩稀钡姆绞阶哌M(jìn)真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41928-025-01516-w

原文鏈接：https://rmtzx.sciencenet.cn/mixmedia/a/202602/24/WS699d74c1e4b0c55d1a558c25.html