清华教授任天令：让聋人“开口说话”

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• 发表时间：2017-05-18
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　　聋人与普通人只能依靠手语或文字进行交流，交流过程繁琐复杂，那么除了手语或文字，能通过其他便捷的方式与聋人进行交流么？

　　现在，这项难题的解决已看到了曙光！清华大学微电子所任天令教授课题组就成功研制出由石墨烯材料制成的智能人工喉，论文《具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉》期刊上。

人工喉

　　这无疑是一项惠及千万聋人的原创科研成果，论文一经发表，就立刻引起了广泛关注，人们都在想，石墨烯这种神奇的二维碳材料，是如何实现的这一神奇功能的呢？

　　石墨烯人工喉实际上是一个类似于创可贴一样的小薄片，可以直接贴附到喉咙上，当聋人带上石墨烯人工喉之后，他发出“哦”“呃”“啊”等声音时，人工喉会灵敏感知聋人在发声时喉部的震动频率，根据这个人说话的习惯和发音频率，数据处理器（芯片）会匹配相应的声音，再把相应的声音传回到石墨烯，从而使它发声。

　　很难以想象吧？就好像一张黑色的纸片贴在喉部，聋人就能说话了！

传送过程

　　其实，这其中蕴藏着很多科学原理，人工喉的功能完全基于石墨烯材料本身的特性来实现的，它最大的智能就是收发一体化。普通的声学器件都是单一功能，话筒只能收音，喇叭只能发音。而这项工作中用到的是多孔石墨烯，其本身是多孔状结构，并且为了提高材料性能，我们选择了最优的激光参数，包括功率、扫描速度等等，从而形成疏松、多孔、膨胀式的结构，更有利于它收音和发音。
　　石墨烯人工喉的发声和收声原理也与普通声学器件不同。一般来说，普通的声学器件都是基于振膜的，使膜在通电之后产生震动，比如依靠通电后产生正负电互相吸引和排斥产生震动从而使其发声，而石墨烯发声则是完全利用其自身良好的热效应发声的，即所谓的热声现象。当石墨烯通电之后，接收到一个交流电流就会发热一次，电流消失热即消失，所以在通电的时候是一个频频加热、冷却的过程，从而带动周围空气频繁热胀冷缩，从而震动发声。而在收声方面，因为多孔石墨烯具有疏松多孔的结构，这些结构在气体压力或喉咙振动时会发生一些微弱变化，导致多孔石墨烯电阻值发生改变，这些电阻值的变化与喉咙振动的模式会有一一对应的关系，通过这种形式便可以将声音记录下来。

　　“在我们这一研究领域，石墨烯材料的确具备一些优势。很多人会拿石墨烯与硅做比较，其实这两种材料没有可比性，应用领域也有所差异，比如石墨烯就不能做晶体管，硅在柔性器件领域的性能就不如石墨烯。”任天令教授说。

　　任何一种设备从研制到成为产品都需要时间，目前的石墨烯人工喉还是一个研究成果，属于1.0代设备，现在只能通过预先设置“私人订制”，简单地说几句设定好的话语。未来，它也能实现随机匹配，只需要通过几句话来矫正就能为任何人所用。现在处于实验室阶段，变成产品需要技术与产业共同努力，不过可以看得出，石墨烯人工喉具有非常好的规模化运用的潜力，但是还没有到成为产品的那一步，仍正在推动中。

　　此外，在后期研究需通过模式识别和机器学习来达到聋人喉咙振动识别等，除了技术，这也与数据库的制备、采集的样本量有关，并且为了方便实用，未来会考虑做成无线信号传输设备，人工喉与芯片之间不需要电线就能互相接收信号。

作者简介
　　任天令，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，IEEE电子器件学会副主席（中国大陆首次）。主要研究方向为新型微纳电子器件与集成系统技术，包括二维电子器件、智能传感器、纳米存储器、智能柔性器件与系统等。

　　陶璐琪，清华大学微电子所博士生，IEEE电子器件学会清华大学学生分会主席。主要研究方向为基于石墨烯的新型柔性可穿戴声学与力学器件等。

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