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失语患者福音:石墨烯“人工喉” 让霍金也渴求
发布:kittyll   时间:2017/4/25 9:21:55   阅读:676 
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有人说,科技违背了优胜劣汰的法则,它拯救了太多理应被“淘汰”的人。而如果没有科技,全人类可能都是应被“淘汰”的弱者。近日,清华大学信息学院院长助理、长江学者任天令教授课题组在《自然·通讯》上发表题为《具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究论文,令人再次感叹科技不可思议的魅力。

霍金曾说:“医药没有治愈我的疾病,所以我更依赖于科技。”因患有肌萎缩侧索硬化症(ALS)的霍金,数十年来肌肉逐渐萎缩无力,尤其在一度说话变得含糊不清时,如果能够听到现在石墨烯“人工喉”的消息,那会让这位大科学家多么开心,也许会增添更多他“点播”世界的醍醐灌顶之语。

“收发一体”柔性声学器件

石墨烯因2010年的诺贝尔奖而世界瞩目,大约十几年来,全球很多科研人员争相在研发中挖掘其更多的可能性。

“在研究中,我们想的是如何把它的潜质发挥出来,正如清华大学各科研团队的出发点,将所做的研究与实际应用相结合,优先解决社会迫切需求的问题。我的团队侧重关注健康层面,以提高人们的生活品质。”任天令对记者说。

他说,比如麦克风,只能感知人说话的声音;喇叭可以发出声音,不过是单向的。就是人的喉咙也仅能发出声音而无法感知声音,很难有一个声学信息系统,既能够感知声音或一些信息,同时还能发出声音。一般的声学器件或信息系统功能单一、有所限制,通常工作在可听域(20Hz—20kHz)的传统发声与收声器件是分立器件,单器件无法同时实现发声与收声。此外,传统声学器件基于硬的材质,非柔性,不适于作为可穿戴设备使用。

也就是说,如果能有一种材料可以兼顾三种功能:感知声音、发出声音,以及具有柔性,那么就可以形成理想的“收发一体”的集成声学器件,实现柔性电子信息系统。而在实验室,研究人员惊异地发现石墨烯这种材料可以满足需求。

任天令介绍说,将少数几个单层的石墨烯薄膜叠加组合在一起,形成一定的结构,可使其比单层石墨烯有更加丰富的性能表现。在研究中,基于石墨烯的热声效应发射声音,并利用石墨烯微结构的压阻效应来接收声音,巧妙达到单器件声音收发同体效果。

具体操作是,采用独特的激光直写技术工艺,制备出多孔的石墨烯材料,一方面,其具有高热导率和低热容率,通过热声效应发出100Hz—40kHz的宽频谱声音;另一方面,石墨烯多孔微结构材料对压力极为敏感,能够感知喉咙发声时的微弱振动,通过压阻效应接收声音信号,从而实现单器件声音收发一体化集成。

有助于聋哑人“开口说话”

“残障人士有些‘咿呀’的声音与正常人说话是不一样的,确切地说是超越了一般意义上正常人的喉咙说话。这正是此项研究的挑战。”任天令指出。

他解释道,一般人听不懂先天失声的人在说些什么表达什么,这就更需要把正常人听不懂的声音转化,如感知喉咙的微微振动,即便是非常弱的来自肌肉振动的信号;有些瘫痪的病人肌肉不能动,但通过手指微动、脸部肌肉表情的变化形态也在表达一些信息,这就需要器件能够把些微的所谓非规范的声音和表示全部捕捉到。

“人工喉”可以检测到人喉咙的振动行为,包括低吟、尖叫等,不同人的喉咙振动会产生不同的阻值变化响应。处理电路会对阻值变化进行分析,判断喉咙振动属于哪一种模式,并针对性的发出频率可控之声。

例如,聋哑人发出高音量的“啊”,低音量的“啊”和拖长音的“啊”,而这每一种“啊”分别对应了一个高音量10kHz、低音量10kHz和低音量5kHz的声音。当聋哑人发出其中一个声音时,电路会判断聋哑人发出了哪种“啊”,例如,检测到聋哑人发出的是拖长音的“啊”,“人工喉”便发出一个5kHz的声音,从而实现了无含义的“啊”转变成频率、强度可控的声音。

任天令说,在未来,我们把这些10kHz或5khz的单频率声音替换为提前录制好的声音,比如“你好”等,就可以在聋哑人发出一个“啊”时,“人工喉”相应地自动发出“你好”,但这需要设计其专用处理电路,后续将会继续开展相关工作。

基于新型器件感知聋哑人的低吟等特殊声音,并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音,从而有望未来帮助聋哑人“开口说话”。

或与猫狗及鸟类“唠唠嗑”

“借用‘人工喉’的方法,可把动物的语言转换成一种相同话语,让人类听得懂。反之,也可以。”参与这项研究的清华大学微纳电子系博士生陶璐琪对记者介绍说。

这么说,人有可能听懂自己的宠物如猫或狗的心思,与各种鸟儿“唠唠嗑”,意味着人类或可与整个动物世界对话。而以前我们仅靠喂食等驯养的条件反射的办法,与动物“互动交流”。这简直太奇妙了!记者不禁感叹道。

任天令对此表示赞同。未来“人工喉”有两种应用形式,一是将其嵌入到人身体里,当然这比较麻烦些;二是在人体外部以可穿戴式的形态出现,如目前做成像透明膏药一样贴在嗓子部位,其内有个信息处理系统,也可能通过有线或无线的方式连接另外的外围电子系统,这种形态更为现实。

他指出,石墨烯应用研究是交叉学科。目前“人工喉”先有个基础版,未来可以根据不同需求情况,结合深度学习,达到个性化精准的解码编码,再运用其他学科的知识技术,形成更高层面的智能系统。而下一步将其微小化,做成一个无线的小贴片,可以是女性喜爱的耳环或项链坠般大小,方便携带。

他强调,经过多年的相关研究工作积累,很有机会实现“人工喉”的产品化,这在技术上已没有难以逾越的障碍。未来只要是创新研究、工程化及产业界之间更加密切的衔接和配合,将会很好的加速这种研发成果的实际应用进程。


来源:科技日报-中国科技网
 
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