霍金曾說:"醫(yī)藥沒有治愈我的疾病，所以我更依賴于科技。"因患有肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)的霍金，數(shù)十年來肌肉逐漸萎縮無力，尤其在一度說話變得含糊不清時，如果能夠聽到現(xiàn)在石墨烯"人工喉"的消息，那會讓這位大科學(xué)家多么開心，也許會增添更多他"點播"世界的醍醐灌頂之語。

"收發(fā)一體"柔性聲學(xué)器件

石墨烯因2010年的諾貝爾獎而世界矚目，大約十幾年來，全球很多科研人員爭相在研發(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，正如清華大學(xué)各科研團(tuán)隊的出發(fā)點，將所做的研究與實際應(yīng)用相結(jié)合，優(yōu)先解決社會迫切需求的問題。我的團(tuán)隊側(cè)重關(guān)注健康層面，以提高人們的生活品質(zhì)。"任天令對記者說。

他說，比如麥克風(fēng)，只能感知人說話的聲音;喇叭可以發(fā)出聲音，不過是單向的。就是人的喉嚨也僅能發(fā)出聲音而無法感知聲音，很難有一個聲學(xué)信息系統(tǒng)，既能夠感知聲音或一些信息，同時還能發(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，通常工作在可聽域(20Hz-20kHz)的傳統(tǒng)發(fā)聲與收聲器件是分立器件，單器件無法同時實現(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，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，實現(xiàn)柔性電子信息系統(tǒng)。而在實驗室，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，將少數(shù)幾個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，采用獨特的激光直寫技術(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)材料對壓力極為敏感，能夠感知喉嚨發(fā)聲時的微弱振動，通過壓阻效應(yīng)接收聲音信號，從而實現(xiàn)單器件聲音收發(fā)一體化集成。

有助于聾啞人"開口說話"

"殘障人士有些'咿呀'的聲音與正常人說話是不一樣的，確切地說是超越了一般意義上正常人的喉嚨說話。這正是此項研究的挑戰(zhàn)。"任天令指出。

他解釋道，一般人聽不懂先天失聲的人在說些什么表達(dá)什么，這就更需要把正常人聽不懂的聲音轉(zhuǎn)化，如感知喉嚨的微微振動，即便是非常弱的來自肌肉振動的信號;有些癱瘓的病人肌肉不能動，但通過手指微動、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"可以檢測到人喉嚨的振動行為，包括低吟、尖叫等，不同人的喉嚨振動會產(chǎn)生不同的阻值變化響應(yīng)。處理電路會對阻值變化進(jìn)行分析，判斷喉嚨振動屬于哪一種模式，并針對性的發(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"和拖長音的"啊"，而這每一種"啊"分別對應(yīng)了一個高音量10kHz、低音量10kHz和低音量5kHz的聲音。當(dāng)聾啞人發(fā)出其中一個聲音時，電路會判斷聾啞人發(fā)出了哪種"啊"，例如，檢測到聾啞人發(fā)出的是拖長音的"啊"，"人工喉"便發(fā)出一個5kHz的聲音，從而實現(xiàn)了無含義的"啊"轉(zhuǎn)變成頻率、強(qiáng)度可控的聲音。

任天令說，在未來，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"啊"時，"人工喉"相應(yīng)地自動發(fā)出"你好"，但這需要設(shè)計其專用處理電路，后續(xù)將會繼續(xù)開展相關(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"無含義聲音"轉(zhuǎn)換為頻率、強(qiáng)度可控的聲音，從而有望未來幫助聾啞人"開口說話"。

或與貓狗及鳥類"嘮嘮嗑"

"借用'人工喉'的方法，可把動物的語言轉(zhuǎn)換成一種相同話語，讓人類聽得懂。反之，也可以。"參與這項研究的清華大學(xué)微納電子系博士生陶璐琪對記者介紹說。

這么說，人有可能聽懂自己的寵物如貓或狗的心思，與各種鳥兒"嘮嘮嗑"，意味著人類或可與整個動物世界對話。而以前我們僅靠喂食等馴養(yǎng)的條件反射的辦法，與動物"互動交流"。這簡直太奇妙了!記者不禁感嘆道。

任天令對此表示贊同。未來"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)有個信息處理系統(tǒng)，也可能通過有線或無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。

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

更多資訊請關(guān)注電力電子頻道