失語患者福音:石墨烯“人工喉” 讓霍金也渴求

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  (JGospel 北京時間 2017年4月21日)有人說,科技違背了優勝劣汰的法則,它拯救了太多理應被“淘汰”的人。而如果沒有科技,全人類可能都是應被“淘汰”的弱者。近日,清華大學信息學院院長助理、長江學者任天令教授課題組在《自然·通訊》上發表題為《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。

  霍金曾說:“醫藥沒有治愈我的疾病,所以我更依賴於科技。”因患有肌萎縮側索硬化症(ALS)的霍金,數十年來肌肉逐漸萎縮無力,尤其在一度說話變得含糊不清時,如果能夠聽到現在石墨烯“人工喉”的消息,那會讓這位大科學家多麼開心,也許會增添更多他“點播”世界的醍醐灌頂之語。

  “收發一體”柔性聲學器件

  石墨烯因2010年的諾貝爾獎而世界矚目,大約十幾年來,全球很多科研人員爭相在研發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發揮出來,正如清華大學各科研團隊的出發點,將所做的研究與實際應用相結合,優先解決社會迫切需求的問題。我的團隊側重關注健康層面,以提高人們的生活品質。”任天令對記者說。

  他說,比如麥克風,只能感知人說話的聲音;喇叭可以發出聲音,不過是單向的。就是人的喉嚨也僅能發出聲音而無法感知聲音,很難有一個聲學信息系統,既能夠感知聲音或一些信息,同時還能發出聲音。一般的聲學器件或信息系統功能單一、有所限制,通常工作在可聽域(20Hz—20kHz)的傳統發聲與收聲器件是分立器件,單器件無法同時實現發聲與收聲。此外,傳統聲學器件基於硬的材質,非柔性,不適於作為可穿戴設備使用。

  也就是說,如果能有一種材料可以兼顧三種功能:感知聲音、發出聲音,以及具有柔性,那麼就可以形成理想的“收發一體”的集成聲學器件,實現柔性電子信息系統。而在實驗室,研究人員驚異地發現石墨烯這種材料可以滿足需求。

  任天令介紹說,將少數幾個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,基於石墨烯的熱聲效應發射聲音,並利用石墨烯微結構的壓阻效應來接收聲音,巧妙達到單器件聲音收發同體效果。

  具體操作是,採用獨特的激光直寫技術工藝,製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,通過熱聲效應發出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,能夠感知喉嚨發聲時的微弱振動,通過壓阻效應接收聲音信號,從而實現單器件聲音收發一體化集成。

  有助於聾啞人“開口說話”

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

  他解釋道,一般人聽不懂先天失聲的人在說些什麼表達什麼,這就更需要把正常人聽不懂的聲音轉化,如感知喉嚨的微微振動,即便是非常弱的來自肌肉振動的信號;有些癱瘓的病人肌肉不能動,但通過手指微動、臉部肌肉表情的變化形態也在表達一些信息,這就需要器件能夠把些微的所謂非規範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行為,包括低吟、尖叫等,不同人的喉嚨振動會產生不同的阻值變化響應。處理電路會對阻值變化進行分析,判斷喉嚨振動屬於哪一種模式,並針對性的發出頻率可控之聲。

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

  任天令說,在未來,我們把這些10kHz或5khz的單頻率聲音替換為提前錄製好的聲音,比如“你好”等,就可以在聾啞人發出一個“啊”時,“人工喉”相應地自動發出“你好”,但這需要設計其專用處理電路,後續將會繼續開展相關工作。

  基於新型器件感知聾啞人的低吟等特殊聲音,並將這種“無含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音,從而有望未來幫助聾啞人“開口說話”。

  或與貓狗及鳥類“嘮嘮嗑”

  “借用'人工喉'的方法,可把動物的語言轉換成一種相同話語,讓人類聽得懂。反之,也可以。”參與這項研究的清華大學微納電子系博士生陶璐琪對記者介紹說。

  這麼說,人有可能聽懂自己的寵物如貓或狗的心思,與各種鳥兒“嘮嘮嗑”,意味著人類或可與整個動物世界對話。而以前我們僅靠餵食等馴養的條件反射的辦法,與動物“互動交流”。這簡直太奇妙了!記者不禁感嘆道。

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

  他指出,石墨烯應用研究是交叉學科。目前“人工喉”先有個基礎版,未來可以根據不同需求情況,結合深度學習,達到個性化精準的解碼編碼,再運用其他學科的知識技術,形成更高層面的智能係統。而下一步將其微小化,做成一個無線的小貼片,可以是女性喜愛的耳環或項鍊墜般大小,方便攜帶。

  他強調,經過多年的相關研究工作積累,很有機會實現“人工喉”的產品化,這在技術上已沒有難以逾越的障礙。未來只要是創新研究、工程化及產業界之間更加密切的銜接和配合,將會很好的加速這種研發成果的實際應用進程。

        來源:新浪科技