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等原因失去了言語發聲功能。重建患者的發聲功能，恢復患者的言語交流能力成為醫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，以發出近似人類聲音的裝置。當患者因喉部被切除而喪失發聲能力時，可以用它作為輔助發聲說話的工具。

傳統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，調制振動發出聲音，成本大、消耗高，對于患者來說，還存在使用麻煩、體驗感差、發音模糊、聲調單調、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”的石墨烯轉換成具有“收發一體”的可穿戴智能人工喉設備，幫助語言障礙者重獲新“聲”。該成果發表在國際期刊《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，任天令團隊創新性地提出了一種基于石墨烯的收發同體的集成聲學器件：利用壓阻效應來接收信號，并基于熱聲效應發射聲音，從而巧妙地實現了單器件的聲音收發同體。

這種石墨烯智能人工喉一方面具有高熱導率和低熱容率，能夠通過熱聲效應發出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經過2 次迭代，在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面均有重大突破。

研究人員研發出體積更小、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，提取關鍵聲學特征，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，實現了動作發聲系統。

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

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