清华大学任天令团队发明石墨烯“人工喉” 让霍金也渴求

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   作者：华凌