石墨烯“人工喉”讓霍金也渴求

　　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，所以我更依賴于科技。”因患有肌萎縮側索硬化癥（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么開心，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，傳統聲學器件基于硬的材質，非柔性，不適于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，那么就可以形成理想的“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，基于石墨烯的熱聲效應發射聲音，并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，采用獨特的激光直寫技術工藝，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。

　　有助于聾啞人“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么表達什么，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，判斷喉嚨振動屬于哪一種模式，并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制好的聲音，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，后續將會繼續開展相關工作。

　　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。

　　這么說，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。而以前我們僅靠喂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里，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系統。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鏈墜般大小，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。