「材料突破」清華大學利用石墨烯研製出可説明聾啞人說話的人工喉

時間＼2017-04-04

華大學微電子所研製出了一款新型收發聲一體的可穿戴智慧人工喉，

或將成為幫助聾啞人“說話”的聲學器件。

由於聽覺的喪失，一些人失去了學習語言的能力，因而無法通過語言與外界交流。通過輔助設備讓聾啞人“開口說話”，成為很多研究人員的目標。事實上，大部分聾啞人的聲帶並未受損，因此他們可以發出低吟、尖叫或是咳嗽的聲音。通常而言，這些簡單、無規則的聲音不具備任何具體含義，但它們或許隱藏著一組密碼等待人們提取——將低吟或尖叫聲的音調、強度、持續時間和重複次數組合起來，

就可以構成大量獨特的發聲方式。而每一種發聲方式都是一把秘鑰，可以與一個特定的含義相對應。這樣，通過事先錄製好的詞彙，聾啞人就可以將低吟、尖叫聲轉化成能被普通人聽懂的語言。

要實現這一想法，首先要解決的是硬體問題——能夠實現收發聲一體化的聲學器件。出於效率與便捷性的考慮，

人們希望通過一個盡可能簡易的器件，同時解決收聲和發聲這兩個基於不同效應的過程。

聾啞人發聲時，喉嚨會產生微弱的振動。當他們發出不同的聲音，例如音調、強度不同的低吟、尖叫聲時，產生的振動波形也各不相同。這時，基於收聲材料的壓阻效應，振動波形的波動被轉化成器件電阻率的變化。

另一方面，發聲過程依靠的是熱聲效應——當溫度出現週期性變化時，

周圍氣體的壓強隨之產生週期性振盪，也就是聲波。器件上施加的交流電信號會帶來溫度的週期性變化，當器件的熱容足夠小時，更多的熱量會傳遞到空氣中，這時就能發出人耳可以識別的聲音。

由於同時具備壓阻效應與熱聲效應，石墨烯成為眾多研究人員關注的物件。但是，現有石墨烯聲學器件仍有一些關鍵問題需要解決。這篇論文的第一作者、清華大學微電子所的陶璐琪博士告訴《環球科學》：“若要通過熱聲效應向空氣釋放熱量進而發聲，

石墨烯器件必須暴露在空氣中。然而，現有的接收器件通常需要包裹在聚合物材料中，這就意味著接收器與發生器必須分開工作。”此外，此前的石墨烯容易破裂且對振動的靈敏度低。因此，研製出高靈敏度的收發聲一體化柔性☆禁☆器件，就成為推動智慧人工喉研究的關鍵。

在這項研究中，

清華大學微電子所任天令團隊採用最新的鐳射直寫技術，在特定波長的雷射器的照射下，聚醯亞胺薄膜可以直接被轉化為多孔石墨烯材料。與此前使用的石墨烯材料相比，具有多孔結構的薄膜對振動有著更高的靈敏度，從而能夠識別更微弱的喉部振動。此外，通過鐳射直寫技術製備的石墨烯具有高熱導率和低比熱容，因此可以將產生的熱量變化迅速、靈敏地轉化成最終的聲音。

在測試中，使用者將器件貼在喉嚨處，分別發出高音量、低音量和長時間的低吟聲。喉部的振動被器件接收後，經過對波形的智慧識別，分別轉化成10khz高音量、10khz低音量和5khz低音量的規則波形，實現了聲音頻率、強度的可控化。而使用者不慎發出的咳嗽聲，以及吞咽、點頭時產生的振動，也能夠被器件準確辨別——這些波形將作為干擾項被去除，以免影響正常的表達。

目前，研究團隊尚未將每一種規則波形與某種特定的含義對應起來，而這也是課題組接下來的目標。“我們需要建立使用者的聲音信號庫，”陶璐琪說，“目前我們尚不清楚器件可以分辨多少種不同的聲音，但強度、語調、長度、重複次數，甚至還有其他因素，會讓聲音種類的組合數量極大地豐富。在豐富語言庫的基礎上，我們會結合深度學習技術，弄清楚聾啞人語言與正常人語言的映射對應關係。”為了使器件發出混頻的詞彙，課題組現階段的另一項工作，是設計與人工喉器件相匹配的功放電路。完成語言庫的建立以及詞彙的事先錄製後，通過人工喉中的專用功放電路，使用者將操控著這些錄製好的詞彙，讓它們帶著自己的思想傳遞至普通人的耳中。

“由於它的高靈敏度、可靠的可重複性、良好的柔性以及簡便的製備方式，”研究人員在論文中提到，“這項原創性研究成果將在語音控制、可穿戴電子設備等領域擁有廣闊的前景，或將推動石墨烯向著產業化方向進一步邁進。”

論文基本資訊

【題目】An intelligent artificial throat with sound-sensing ability based on laser induced graphene

【作者】Lu-Qi Tao, He Tian, Ying Liu, Zhen-Yi Ju, Yu Pang, Yuan-Quan Chen, Dan-Yang Wang, Xiang-Guang Tian, Jun-Chao Yan, Ning-Qin Deng, Yi Yang & Tian-Ling Ren

【期刊】Nature Communications

【日期】24 February 2017

【DOI】10.1038/ncomms14579

【摘要】Traditional sound sources and sound detectors are usually independent and discrete in the human hearing range. To minimize the device size and integrate it with wearable electronics, there is an urgent requirement of realizing the functional integration of generating and detecting sound in a single device. Here we show an intelligent laser-induced graphene artificial throat, which can not only generate sound but also detect sound in a single device. More importantly, the intelligent artificial throat will significantly assist for the disabled, because the simple throat vibrations such as hum, cough and scream with different intensity or frequency from a mute person can be detected and converted into controllable sounds. Furthermore, the laser-induced graphene artificial throat has the advantage of one-step fabrication, high efficiency, excellent flexibility and low cost, and it will open practical applications in voice control, wearable electronics and many other areas.

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