近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）、中国科学院大学联合浙江大学、北京理工大学、新加坡国立大学及德国维尔茨堡大学等科研团队，围绕拓扑电路工程开展系统性梳理，重点总结了该领域由基础物理实验平台向多功能、可部署硬件演进的最新进展，并展望其在下一代无线通信、高精度传感、忆阻计算和具身智能等方向的应用潜力。
现代信息技术高度依赖经典电路系统，但随着时钟频率、集成密度和系统复杂度不断提升，寄生散射、元件公差和结构无序等问题正日益制约信号完整性与系统可靠性。与此同时，传统射频前端在实现紧凑、宽带、无磁的非互易信号传输方面仍面临重要工程瓶颈。
面对这一挑战，拓扑电路提供了一种新的设计范式。联合团队根据大量文献，综合分析指出，拓扑电路将拓扑能带理论编码到可编程电气网络中，其物理行为不再主要由元件的空间位置决定，而是由元件之间的连接方式、导纳关系和接地结构主导。这种以网络拓扑为核心的设计，使电路天然具备缺陷容忍、无磁定向传输和边界响应增强等能力。过去，传统电子学往往需要依赖外部隔离器、反馈校准或复杂补偿网络才能实现类似功能。
联合团队系统梳理了拓扑电路从物理机制到工程应用的发展脉络。早期拓扑电路主要作为被动、厄米系统的物理模拟平台。如今，该领域已沿主动非互易耦合、非厄米调控、非线性元件、非阿贝尔结构和时间调制等方向持续拓展，逐步将前沿物理现象转化为可利用、可集成的工程能力。
在传感领域，拓扑电路能够把微小扰动转化为更易读出的频率、电压或阻抗变化，为高灵敏检测提供新路径。联合团队重点梳理了奇异点传感、非厄米皮肤效应传感、高阶拓扑传感和动态拓扑传感等代表性方向。其中，高阶非厄米拓扑传感器已在65nm CMOS工艺中实现亚飞法拉级电容分辨率，显示出拓扑电路走向芯片化高精度传感的潜力。
除传感外，拓扑电路正在面向工程痛点展现系统级价值。在无线电能传输方面，拓扑设计可在传输距离和耦合条件变化时保持高效能量输送，相关方案已实现约92%的高效率无线电力传输。在物理层硬件加密方面，拓扑电路可利用局域化响应构建难以复制的硬件级哈希映射，为底层通信安全提供新的物理基础。在宽带非互易射频路由方面，基于时间调制的拓扑电路可在芯片尺度上形成单向边缘通道，为全双工相控阵天线和未来6G通信前端提供无磁化、抗缺陷的解决方案。在可重构信号处理方面，拓扑电路结合非线性动力学，可实现谐波生成、频率转换和硬件级信号掩蔽，为低功耗、可编程射频与边缘信号处理开辟新方向。
联合团队通过文献梳理分析发现，拓扑电路正在成为跨学科前沿的重要硬件平台。在AI for Science范式下，物理图启发的机器学习模型能够加速拓扑电路的逆向设计，并从复杂实验数据中提取关键电路响应，大幅提升设计效率。忆阻器的引入，则标志着拓扑硬件正从静态网络走向自适应、具有历史记忆功能的智能电路。将拓扑电路的受保护传输能力与忆阻器的存算一体特性结合，有望为突破冯·诺依曼瓶颈、实现高能效边缘推理和神经形态计算奠定物理基础。
联合团队展望提出了拓扑硬件走向实用化的清晰路线图。一是推进单片CMOS集成，将高阶拓扑传感、非互易路由等功能进一步芯片化，并建立标准化的拓扑电路设计工具和元件库；二是发展柔性拓扑电路与体域网络，利用拓扑边界通道对形变和局部扰动的鲁棒性，构建抗弯折、抗损伤的智能可穿戴系统和人体传感网络；三是面向具身智能发展拓扑电子皮肤。未来，拓扑路由、忆阻存算一体和具身AI控制器有望集成于同一柔性基底，使电子皮肤即使在局部损伤情况下，仍能保持稳定的传感数据通路，为农业采摘机器人、灵巧手操控等智能硬件提供高韧性的神经感知网络。
上述工作全面梳理了拓扑电路领域的理论突破、关键器件和工程转化路径，明确了拓扑电路作为下一代自适应、高鲁棒性感知与通信硬件基础的战略地位。拓扑电路正从物理实验平台迈向智能硬件底座，为未来电子系统打开新的想象空间。
该成果以“Engineering topolectrical circuits”为题发表在国际权威综述期刊《Nature Reviews Electrical Engineering》（自然综述：电气工程）。空天院、中国科学院大学蒋雨馨与浙江大学李文浩为共同第一作者，空天院尚策、浙江大学杨怡豪和新加坡国立大学李庆华为共同通讯作者。相关工作获得国家重点研发计划、中国科学院、国家自然科学基金、新加坡教育部学术研究基金等项目资助。
文章信息
Jiang, Y., Li, W., Zhang, W., Shang, C., Yang, Y., Zhang, X., Lee, C.H. & Thomale, R. Engineering topolectrical circuits. Nat Rev Electr Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s44287-026-00308-4.
图1 拓扑电路的发展历程与代表性电路元件
图2 拓扑电路传感器架构及其性能
图3 拓扑电路硬件走向实用化的技术路线
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