有人說(shuō)，科技違背了優(yōu)勝劣汰的法則，它拯救了太多理應(yīng)被“淘汰”的人。而如果沒(méi)有科技，全人類可能都是應(yīng)被“淘汰”的弱者。近日，清華大學(xué)信息學(xué)院院長(zhǎng)助理、長(zhǎng)江學(xué)者任天令教授課題組在《自然·通訊》上發(fā)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。

清華大學(xué)任天令教授課題組致力于智能石墨烯人工喉的研究，希望可以利用石墨烯的特性制成“收發(fā)一體”的集成聲學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)柔性電子信息系統(tǒng)，幫助聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話”，甚至讓人類聽(tīng)懂動(dòng)物的語(yǔ)言。

霍金曾說(shuō)：“醫(yī)藥沒(méi)有治愈我的疾病，所以我更依賴于科技?！币蚧加屑∥s側(cè)索硬化癥(ALS)的霍金，數(shù)十年來(lái)肌肉逐漸萎縮無(wú)力，尤其在一度說(shuō)話變得含糊不清時(shí)，如果能夠聽(tīng)到現(xiàn)在石墨烯“人工喉”的消息，那會(huì)讓這位大科學(xué)家多么開(kāi)心，也許會(huì)增添更多他“點(diǎn)播”世界的醍醐灌頂之語(yǔ)。

“收發(fā)一體”柔性聲學(xué)器件

石墨烯因2010年的諾貝爾獎(jiǎng)而世界矚目，大約十幾年來(lái)，全球很多科研人員爭(zhēng)相在研發(fā)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(zhì)發(fā)揮出來(lái)，正如清華大學(xué)各科研團(tuán)隊(duì)的出發(fā)點(diǎn)，將所做的研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，優(yōu)先解決社會(huì)迫切需求的問(wèn)題。我的團(tuán)隊(duì)側(cè)重關(guān)注健康層面，以提高人們的生活品質(zhì)。”任天令說(shuō)。

他說(shuō)，比如麥克風(fēng)，只能感知人說(shuō)話的聲音;喇叭可以發(fā)出聲音，不過(guò)是單向的。就是人的喉嚨也僅能發(fā)出聲音而無(wú)法感知聲音，很難有一個(gè)聲學(xué)信息系統(tǒng)，既能夠感知聲音或一些信息，同時(shí)還能發(fā)出聲音。一般的聲學(xué)器件或信息系統(tǒng)功能單一、有所限制，通常工作在可聽(tīng)域(20Hz—20kHz)的傳統(tǒng)發(fā)聲與收聲器件是分立器件，單器件無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)聲與收聲。此外，傳統(tǒng)聲學(xué)器件基于硬的材質(zhì)，非柔性，不適于作為可穿戴設(shè)備使用。

也就是說(shuō)，如果能有一種材料可以兼顧三種功能：感知聲音、發(fā)出聲音，以及具有柔性，那么就可以形成理想的“收發(fā)一體”的集成聲學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)柔性電子信息系統(tǒng)。而在實(shí)驗(yàn)室，研究人員驚異地發(fā)現(xiàn)石墨烯這種材料可以滿足需求。

任天令介紹說(shuō)，將少數(shù)幾個(gè)單層的石墨烯薄膜疊加組合在一起，形成一定的結(jié)構(gòu)，可使其比單層石墨烯有更加豐富的性能表現(xiàn)。在研究中，基于石墨烯的熱聲效應(yīng)發(fā)射聲音，并利用石墨烯微結(jié)構(gòu)的壓阻效應(yīng)來(lái)接收聲音，巧妙達(dá)到單器件聲音收發(fā)同體效果。

具體操作是，采用獨(dú)特的激光直寫(xiě)技術(shù)工藝，制備出多孔的石墨烯材料，一方面，其具有高熱導(dǎo)率和低熱容率，通過(guò)熱聲效應(yīng)發(fā)出100Hz—40kHz的寬頻譜聲音;另一方面，石墨烯多孔微結(jié)構(gòu)材料對(duì)壓力極為敏感，能夠感知喉嚨發(fā)聲時(shí)的微弱振動(dòng)，通過(guò)壓阻效應(yīng)接收聲音信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)單器件聲音收發(fā)一體化集成。

有助于聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話”

“殘障人士有些‘咿呀’的聲音與正常人說(shuō)話是不一樣的，確切地說(shuō)是超越了一般意義上正常人的喉嚨說(shuō)話。這正是此項(xiàng)研究的挑戰(zhàn)?！比翁炝钪赋觥?/p>

他解釋道，一般人聽(tīng)不懂先天失聲的人在說(shuō)些什么表達(dá)什么，這就更需要把正常人聽(tīng)不懂的聲音轉(zhuǎn)化，如感知喉嚨的微微振動(dòng)，即便是非常弱的來(lái)自肌肉振動(dòng)的信號(hào);有些癱瘓的病人肌肉不能動(dòng)，但通過(guò)手指微動(dòng)、臉部肌肉表情的變化形態(tài)也在表達(dá)一些信息，這就需要器件能夠把些微的所謂非規(guī)范的聲音和表示全部捕捉到。

“人工喉”可以檢測(cè)到人喉嚨的振動(dòng)行為，包括低吟、尖叫等，不同人的喉嚨振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不同的阻值變化響應(yīng)。處理電路會(huì)對(duì)阻值變化進(jìn)行分析，判斷喉嚨振動(dòng)屬于哪一種模式，并針對(duì)性的發(fā)出頻率可控之聲。

例如，聾啞人發(fā)出高音量的“啊”，低音量的“啊”和拖長(zhǎng)音的“啊”，而這每一種“啊”分別對(duì)應(yīng)了一個(gè)高音量10kHz、低音量10kHz和低音量5kHz的聲音。當(dāng)聾啞人發(fā)出其中一個(gè)聲音時(shí)，電路會(huì)判斷聾啞人發(fā)出了哪種“啊”，例如，檢測(cè)到聾啞人發(fā)出的是拖長(zhǎng)音的“啊”，“人工喉”便發(fā)出一個(gè)5kHz的聲音，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)含義的“啊”轉(zhuǎn)變成頻率、強(qiáng)度可控的聲音。

任天令說(shuō)，在未來(lái)，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(fā)出一個(gè)“啊”時(shí)，“人工喉”相應(yīng)地自動(dòng)發(fā)出“你好”，但這需要設(shè)計(jì)其專用處理電路，后續(xù)將會(huì)繼續(xù)開(kāi)展相關(guān)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(wú)含義聲音”轉(zhuǎn)換為頻率、強(qiáng)度可控的聲音，從而有望未來(lái)幫助聾啞人“開(kāi)口說(shuō)話”。

或與貓狗及鳥(niǎo)類“嘮嘮嗑”

“借用‘人工喉’的方法，可把動(dòng)物的語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成一種相同話語(yǔ)，讓人類聽(tīng)得懂。反之，也可以?！眳⑴c這項(xiàng)研究的清華大學(xué)微納電子系博士生陶璐琪對(duì)記者介紹說(shuō)。

這么說(shuō)，人有可能聽(tīng)懂自己的寵物如貓或狗的心思，與各種鳥(niǎo)兒“嘮嘮嗑”，意味著人類或可與整個(gè)動(dòng)物世界對(duì)話。而以前我們僅靠喂食等馴養(yǎng)的條件反射的辦法，與動(dòng)物“互動(dòng)交流”。這簡(jiǎn)直太奇妙了!記者不禁感嘆道。

任天令對(duì)此表示贊同。未來(lái)“人工喉”有兩種應(yīng)用形式，一是將其嵌入到人身體里，當(dāng)然這比較麻煩些;二是在人體外部以可穿戴式的形態(tài)出現(xiàn)，如目前做成像透明膏藥一樣貼在嗓子部位，其內(nèi)有個(gè)信息處理系統(tǒng)，也可能通過(guò)有線或無(wú)線的方式連接另外的外圍電子系統(tǒng)，這種形態(tài)更為現(xiàn)實(shí)。

他指出，石墨烯應(yīng)用研究是交叉學(xué)科。目前“人工喉”先有個(gè)基礎(chǔ)版，未來(lái)可以根據(jù)不同需求情況，結(jié)合深度學(xué)習(xí)，達(dá)到個(gè)性化精準(zhǔn)的解碼編碼，再運(yùn)用其他學(xué)科的知識(shí)技術(shù)，形成更高層面的智能系統(tǒng)。而下一步將其微小化，做成一個(gè)無(wú)線的小貼片，可以是女性喜愛(ài)的耳環(huán)或項(xiàng)鏈墜般大小，方便攜帶。

他強(qiáng)調(diào)，經(jīng)過(guò)多年的相關(guān)研究工作積累，很有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)“人工喉”的產(chǎn)品化，這在技術(shù)上已沒(méi)有難以逾越的障礙。未來(lái)只要是創(chuàng)新研究、工程化及產(chǎn)業(yè)界之間更加密切的銜接和配合，將會(huì)很好的加速這種研發(fā)成果的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程。