可穿戴人工喉，助失聲者重獲新“聲”

■傅昭儀

語音是人類最基本、最有效和最重要的交流手段。目前，全球有數(shù)百萬喉癌和嚴重的喉病患者，其中很大一部分人因喉切除術(shù)等原因失去了言語發(fā)聲功能。重建患者的發(fā)聲功能，恢復(fù)患者的言語交流能力成為醫(yī)學研究人員共同追求的目標。

人工喉（Artificial Larynx）又稱助講器，即人工制造的一種起到聲源和振動作用，以發(fā)出近似人類聲音的裝置。當患者因喉部被切除而喪失發(fā)聲能力時，可以用它作為輔助發(fā)聲說話的工具。

傳統(tǒng)的人工喉是一個提供單頻振動的馬達，配合上食管、唇部、舌頭的運動，調(diào)制振動發(fā)出聲音，成本大、消耗高，對于患者來說，還存在使用麻煩、體驗感差、發(fā)音模糊、聲調(diào)單調(diào)、聲音機械、噪聲大等問題。

近日，清華大學集成電路學院教授任天令團隊第一次將被稱為“黑金”的石墨烯轉(zhuǎn)換成具有“收發(fā)一體”的可穿戴智能人工喉設(shè)備，幫助語言障礙者重獲新“聲”。該成果發(fā)表在國際期刊《自然·機器智能》上。

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出來的二維晶體，對于低頻的肌肉運動、中頻的食管振動和高頻的聲波信息有很高的靈敏度，同時也具有抗噪聲的語音感知能力。2017 年，任天令團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于石墨烯的收發(fā)同體的集成聲學器件：利用壓阻效應(yīng)來接收信號，并基于熱聲效應(yīng)發(fā)射聲音，從而巧妙地實現(xiàn)了單器件的聲音收發(fā)同體。

這種石墨烯智能人工喉一方面具有高熱導(dǎo)率和低熱容率，能夠通過熱聲效應(yīng)發(fā)出100 赫茲～40 千赫茲的寬頻譜聲音；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(zhuǎn)換為頻率、強度可控的聲音，帶來了聲學器件的“全新革命”。

如今，這種石墨烯人工喉已經(jīng)經(jīng)過2 次迭代，在器件柔性可貼附、聲音收發(fā)系統(tǒng)集成、動作監(jiān)測系統(tǒng)、輕型可穿戴等方面均有重大突破。

研究人員研發(fā)出體積更小、功能更多的集成人工喉。貼在喉部的膜片通過導(dǎo)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，人工喉會感知喉嚨的振動狀態(tài)，提取關(guān)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(xiàn)了動作發(fā)聲系統(tǒng)。

據(jù)了解，新一代石墨烯人工喉可以基本恢復(fù)患者的語言交流能力，可識別一名喉切除術(shù)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(shè)備記錄、編碼，并進行分類，“解碼”出不同種類的聾啞人“語言”，經(jīng)過訓(xùn)練后，患者有望實現(xiàn)“吟詩作唱”的夢想。

談及未來應(yīng)用，任天令表示，多年的研究工作積累讓“人工喉”的產(chǎn)品化、量產(chǎn)化有機會實現(xiàn)，并根據(jù)不同需求情況，多領(lǐng)域、多學科深度合作，形成更高層面的智能系統(tǒng)。目前，該器件正在與聲紋識別、機器學習等技術(shù)結(jié)合，之后將在語音識別、家庭醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊前景。他表示，“在技術(shù)上已沒有難以逾越的障礙。”