清華新成果讓失聲者把喉嚨“穿戴”在身上
一枚硬幣大小的石墨烯片就能幫助語言障礙者重獲新“聲”。日前，記者從清華大學了解到，該校集成電路學院教授任天令團隊首次將石墨烯轉換成具有“收發一體”的可穿戴智能人工喉設備。該成果發表在《自然》雜志人工智能子刊《自然·機器智能》上。
在我國，每年有超過30萬人由于意外或疾病手術而失去發聲能力。雖然目前有傳統人工喉可以使用，但除了成本大、消耗高，對于患者來說也存在使用麻煩、體驗感差、發音模糊等問題。尤其是傳統人工喉的聲音是電子機器的聲音，在日常交流時不免顯得突兀冰冷。
因此，如果能實現高精度無創便攜式語音交互，無疑給眾多失聲患者點亮了一盞明燈。
早在2017年，任天令團隊就創新性地提出了一種基于石墨烯的收發同體的集成聲學器件——利用壓阻效應來接收信號，并基于熱聲效應發射聲音，從而實現單器件的聲音收發同體。
“雖然這只是一個很小的機械傳感器，但卻可以‘創造奇跡’。”團隊成員表示，石墨烯智能人工喉一方面具有高熱導率和低熱容率，能夠通過熱聲效應發出100Hz-40kHz的寬頻譜聲音；另一方面能夠分辨低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、點頭等動作，并將這種“無含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音，這無疑帶來了聲學器件的“全新革命”。
如果說剛開始，“石墨烯人工喉”只能實現簡單的采集和發聲功能，經過2次迭代后的石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面均有了重大突破，實現了聲音輸入到輸出的閉環，并可以通過示波器實時觀測喉部運動情況。
新一代石墨烯人工喉器件設計和性能表征 清華大學供圖
團隊在第3次迭代時，研發出體積更小及功能更多的集成“人工喉”。這種膜片通過導線與一個僅2平方厘米大小的微控制器相連，后者可以放在口袋里，配有一個紐扣大小的電池，簡單又便捷。
當佩戴者低吟時，石墨烯人工喉會感知喉嚨的振動狀態，提取關鍵聲學特征，通過人工智能模型進行音頻信號處理，來合成流暢、自然的語音，實現了動作發聲系統。
據了解，新一代石墨烯人工喉可以基本恢復患者的語言交流能力，識別一名喉切除術患者模糊說出的日常詞匯，準確率超過90%。甚至不同頻率的耳語，尖叫和咳嗽都可以被該設備記錄，編碼，并進行分類，“解碼”出不同種類的聾啞人“語言”，經過訓練后，有望實現“吟詩作唱”的夢想。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s42256-023-00616-6
