智能喉: 让聋哑人“开口说话”

2017年03月14日09:10 来源:中国妇女报

石墨烯能够化身“传声筒”,帮助聋哑人“开口说话”。由清华大学微电子所任天令教授课题组发明的“智能石墨烯人工喉”,有望在未来解决聋哑人的“说话”难题。

日前,任天令课题组在《自然通讯》上发表了题为《具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究论文,利用多孔石墨烯材料的优势,制造出一种收发同体、适合穿戴的集成声学器件。

据介绍,这种集成声学器件,利用石墨烯的热声效应来发射声音,利用石墨烯的压阻效应来接收声音,实现了单器件的声音收发同体。器件使用的多孔石墨烯材料具有高热导率和低热容率的特点,能够通过热声效应发出100HZ~40kHZ的宽频谱声音。其多孔结构对压力也极为敏感,能够感知发声时喉咙处的微弱振动,可以通过压阻效应接收声音信号。因此,这种器件能够准确感知聋哑人低吟、尖叫等特殊声音,并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音,有望在将来转换为预先录制的语言。

当“人工喉”佩戴者大声发出低吟时,人工喉会感知喉咙振动状态并发出预先设定的声音,当佩戴者变换低吟的长短、声调时,人工喉发出的声音也会随之对应发生明显变化。

据参与该项创新成果的清华大学微纳电子系博士生陶璐琪介绍,“解码”之前,需要聋哑人根据自己的发声特点,将不同强度和不同频率的低吟、尖叫音进行排列组合,形成聋哑人的“语言编码”。

“‘编码’后的每个聋哑人发音,就像键盘上的字母键,只需要用不同排列组合,就能表达出聋哑人连续的、完整的语义。这就把我们常人听不懂的聋哑人低吟音转化成为正常的语言,并且可以连续表达。”陶璐琪说。

智能石墨烯人工喉除了能够辨别不同音调,还能根据声音强弱、尖叫、咳嗽等声音震动,“解码”出不同种类的聋哑人“语言”,同时能够实现音节和音调的排列组合,让聋哑人说出更丰富的句子。

延伸阅读

石墨烯:或将“彻底改变21世纪”

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以一种方式组成六角型呈蜂窝晶格的平面薄膜,是只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。它在垂直方向的高度大约为1nm(纳米 1纳米=10的负9次方米)左右,是除金刚石以外所有碳晶体的基本结构单元。

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

老材料得“新生”

很早之前就有物理学家在理论上预言,准二维晶体如石墨烯本身热力学性质不稳定,在室温环境下会迅速分解或者蜷曲,所以不能单独存在。

直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,对于石墨烯的研究才开始活跃起来,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

刚刚获得第十三届“中国青年女科学家奖”的清华大学物理系教授周树云,就是我国研究石墨烯的顶级专家之一。

“新材料之王”

作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。

应用前景广阔

石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会快数百倍。

另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。另一方面,它非常致密,即使是最小的气体分子(氦气)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料,电子在其中的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

在塑料里掺入百分之一的石墨烯,就能使塑料具备良好的导电性;加入千分之一的石墨烯,能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料,用于制造汽车、飞机和卫星。 (孙琪)

(责编:许心怡、权娟)

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