石墨烯“人工喉”或將引導聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”

石墨烯“人工喉”或將引導聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”

　　有人說(shuō)，科技違背了優(yōu)勝劣汰的法則，它拯救了太多理應被“淘汰”的人。而如果沒(méi)有科技，全人類(lèi)可能都是應被“淘汰”的弱者。近日，清華大學(xué)信息學(xué)院院長(cháng)助理、長(cháng)江學(xué)者任天令教授課題組在《自然·通訊》上發(fā)表題為《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究論文，令人再次感嘆科技不可思議的魅力。

　　清華大學(xué)任天令教授課題組致力于智能石墨烯人工喉的研究，希望可以利用石墨烯的特性制成“收發(fā)一體”的集成聲學(xué)器件，實(shí)現柔性電子信息系統，幫助聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”，甚至讓人類(lèi)聽(tīng)懂動(dòng)物的語(yǔ)言。

科學(xué)發(fā)現

　　霍金曾說(shuō)：“醫藥沒(méi)有治愈我的疾病，所以我更依賴(lài)于科技。”因患有肌萎縮側索硬化癥(ALS)的霍金，數十年來(lái)肌肉逐漸萎縮無(wú)力，尤其在一度說(shuō)話(huà)變得含糊不清時(shí)，如果能夠聽(tīng)到現在石墨烯“人工喉”的消息，那會(huì )讓這位大科學(xué)家多么開(kāi)心，也許會(huì )增添更多他“點(diǎn)播”世界的醍醐灌頂之語(yǔ)。

　　“收發(fā)一體”柔性聲學(xué)器件

　　石墨烯因2010年的諾貝爾獎而世界矚目，大約十幾年來(lái)，全球很多科研人員爭相在研發(fā)中挖掘其更多的可能性。

　　“在研究中，我們想的是如何把它的潛質(zhì)發(fā)揮出來(lái)，正如清華大學(xué)各科研團隊的出發(fā)點(diǎn)，將所做的研究與實(shí)際應用相結合，優(yōu)先解決社會(huì )迫切需求的問(wèn)題。我的團隊側重關(guān)注健康層面，以提高人們的生活品質(zhì)。”任天令說(shuō)。

　　他說(shuō)，比如麥克風(fēng)，只能感知人說(shuō)話(huà)的聲音;喇叭可以發(fā)出聲音，不過(guò)是單向的。就是人的喉嚨也僅能發(fā)出聲音而無(wú)法感知聲音，很難有一個(gè)聲學(xué)信息系統，既能夠感知聲音或一些信息，同時(shí)還能發(fā)出聲音。一般的聲學(xué)器件或信息系統功能單一、有所限制，通常工作在可聽(tīng)域(20Hz—20kHz)的傳統發(fā)聲與收聲器件是分立器件，單器件無(wú)法同時(shí)實(shí)現發(fā)聲與收聲。此外，傳統聲學(xué)器件基于硬的材質(zhì)，非柔性，不適于作為可穿戴設備使用。

　　也就是說(shuō)，如果能有一種材料可以兼顧三種功能：感知聲音、發(fā)出聲音，以及具有柔性，那么就可以形成理想的“收發(fā)一體”的集成聲學(xué)器件，實(shí)現柔性電子信息系統。而在實(shí)驗室，研究人員驚異地發(fā)現石墨烯這種材料可以滿(mǎn)足需求。

　　任天令介紹說(shuō)，將少數幾個(gè)單層的石墨烯薄膜疊加組合在一起，形成一定的結構，可使其比單層石墨烯有更加豐富的性能表現。在研究中，基于石墨烯的熱聲效應發(fā)射聲音，并利用石墨烯微結構的壓阻效應來(lái)接收聲音，巧妙達到單器件聲音收發(fā)同體效果。

　　具體操作是，采用獨特的激光直寫(xiě)技術(shù)工藝，制備出多孔的石墨烯材料，一方面，其具有高熱導率和低熱容率，通過(guò)熱聲效應發(fā)出100Hz—40kHz的寬頻譜聲音;另一方面，石墨烯多孔微結構材料對壓力極為敏感，能夠感知喉嚨發(fā)聲時(shí)的微弱振動(dòng)，通過(guò)壓阻效應接收聲音信號，從而實(shí)現單器件聲音收發(fā)一體化集成。

　　有助于聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”

　　“殘障人士有些‘咿呀’的聲音與正常人說(shuō)話(huà)是不一樣的，確切地說(shuō)是超越了一般意義上正常人的喉嚨說(shuō)話(huà)。這正是此項研究的挑戰。”任天令指出。

　　他解釋道，一般人聽(tīng)不懂先天失聲的人在說(shuō)些什么表達什么，這就更需要把正常人聽(tīng)不懂的聲音轉化，如感知喉嚨的微微振動(dòng)，即便是非常弱的來(lái)自肌肉振動(dòng)的信號;有些癱瘓的病人肌肉不能動(dòng)，但通過(guò)手指微動(dòng)、臉部肌肉表情的變化形態(tài)也在表達一些信息，這就需要器件能夠把些微的所謂非規范的聲音和表示全部捕捉到。

　　“人工喉”可以檢測到人喉嚨的振動(dòng)行為，包括低吟、尖叫等，不同人的喉嚨振動(dòng)會(huì )產(chǎn)生不同的阻值變化響應。處理電路會(huì )對阻值變化進(jìn)行分析，判斷喉嚨振動(dòng)屬于哪一種模式，并針對性的發(fā)出頻率可控之聲。

　　例如，聾啞人發(fā)出高音量的“啊”，低音量的“啊”和拖長(cháng)音的“啊”，而這每一種“啊”分別對應了一個(gè)高音量10kHz、低音量10kHz和低音量5kHz的聲音。當聾啞人發(fā)出其中一個(gè)聲音時(shí)，電路會(huì )判斷聾啞人發(fā)出了哪種“啊”，例如，檢測到聾啞人發(fā)出的是拖長(cháng)音的“啊”，“人工喉”便發(fā)出一個(gè)5kHz的聲音，從而實(shí)現了無(wú)含義的“啊”轉變成頻率、強度可控的聲音。

　　任天令說(shuō)，在未來(lái)，我們把這些10kHz或5khz的單頻率聲音替換為提前錄制好的聲音，比如“你好”等，就可以在聾啞人發(fā)出一個(gè)“啊”時(shí)，“人工喉”相應地自動(dòng)發(fā)出“你好”，但這需要設計其專(zhuān)用處理電路，后續將會(huì )繼續開(kāi)展相關(guān)工作。

　　基于新型器件感知聾啞人的低吟等特殊聲音，并將這種“無(wú)含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音，從而有望未來(lái)幫助聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話(huà)”。

　　或與貓狗及鳥(niǎo)類(lèi)“嘮嘮嗑”

　　“借用‘人工喉’的方法，可把動(dòng)物的語(yǔ)言轉換成一種相同話(huà)語(yǔ)，讓人類(lèi)聽(tīng)得懂。反之，也可以。”參與這項研究的清華大學(xué)微納電子系博士生陶璐琪對記者介紹說(shuō)。

　　這么說(shuō)，人有可能聽(tīng)懂自己的寵物如貓或狗的心思，與各種鳥(niǎo)兒“嘮嘮嗑”，意味著(zhù)人類(lèi)或可與整個(gè)動(dòng)物世界對話(huà)。而以前我們僅靠喂食等馴養的條件反射的辦法，與動(dòng)物“互動(dòng)交流”。這簡(jiǎn)直太奇妙了!記者不禁感嘆道。

　　任天令對此表示贊同。未來(lái)“人工喉”有兩種應用形式，一是將其嵌入到人身體里，當然這比較麻煩些;二是在人體外部以可穿戴式的形態(tài)出現，如目前做成像透明膏藥一樣貼在嗓子部位，其內有個(gè)信息處理系統，也可能通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式連接另外的外圍電子系統，這種形態(tài)更為現實(shí)。

　　他指出，石墨烯應用研究是交叉學(xué)科。目前“人工喉”先有個(gè)基礎版，未來(lái)可以根據不同需求情況，結合深度學(xué)習，達到個(gè)性化精準的解碼編碼，再運用其他學(xué)科的知識技術(shù)，形成更高層面的智能系統。而下一步將其微小化，做成一個(gè)無(wú)線(xiàn)的小貼片，可以是女性喜愛(ài)的耳環(huán)或項鏈墜般大小，方便攜帶。

　　他強調，經(jīng)過(guò)多年的相關(guān)研究工作積累，很有機會(huì )實(shí)現“人工喉”的產(chǎn)品化，這在技術(shù)上已沒(méi)有難以逾越的障礙。未來(lái)只要是創(chuàng )新研究、工程化及產(chǎn)業(yè)界之間更加密切的銜接和配合，將會(huì )很好的加速這種研發(fā)成果的實(shí)際應用進(jìn)程。

編輯點(diǎn)評

　　“新材料”石墨烯的應用領(lǐng)域之廣泛令人驚嘆，希望這種石墨烯“人工喉”能夠早日產(chǎn)品化，為聾啞人帶來(lái)福音。未來(lái)在石墨烯材料的應用研究上，不必太過(guò)局限，可以多嘗試其他看似毫無(wú)關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域，或許能收獲意想不到的成果。

（來(lái)源：科技日報）

文章鏈接：中國化工儀器網(wǎng) http://www.chem17.com/news/detail/111178.html