清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊開發(fā)出可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統(tǒng)
清華大學(xué)任天令教授團(tuán)隊開發(fā)出可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統(tǒng)
7月9日，清華大學(xué)微電子所任天令教授團(tuán)隊在納米領(lǐng)域重要期刊《美國化學(xué)學(xué)會納米》（ACS Nano）上發(fā)表了題為《一種可穿戴的類膚性高靈敏石墨烯人工喉》(“A Wearable Skinlike Ultra-Sensitive Artificial Graphene Throat”)的研究論文。
該器件集收聲和發(fā)聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉(zhuǎn)化為對應(yīng)聲音，有望幫助失語者正常與他人“交談”。在未來，該器件將與聲紋識別、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，在語音識別、家庭醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊前景。
目前世界上喉癌患者數(shù)量日益增加，是僅次于肺癌的第二大呼吸道高發(fā)癌。大量喉癌患者需要采用全喉切除手術(shù)，成為后天型失語者?，F(xiàn)有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發(fā)音模糊，訓(xùn)練周期長，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成極大不便，所以亟需便于失語者攜帶、操作簡單、性能優(yōu)異的新型人工喉的器件及系統(tǒng)研究。
與2017年任天令團(tuán)隊首次提出的石墨烯人工喉相比，第二代石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可貼附、聲音收發(fā)系統(tǒng)集成、動作監(jiān)測系統(tǒng)、輕型可穿戴等方面有了重大突破。首先，第二代石墨烯人工喉采用了更貼合人體皮膚的紋身式薄膜作為襯底，無需膠帶粘貼，可直接貼敷在人體喉嚨，極大地提高了佩戴舒適感；其次，第二代石墨烯智能人工喉在收發(fā)聲系統(tǒng)方面有了雙重突破，實現(xiàn)了石墨烯的器件級應(yīng)用至系統(tǒng)級應(yīng)用的跨越。
通過專用電路對聲音信號的放大和轉(zhuǎn)換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統(tǒng)和發(fā)聲系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)了聲音輸入到輸出的閉環(huán)，并可以通過示波器實時觀測喉部運動情況。接著，通過與單片機的結(jié)合，該器件可以將人體喉部的不同動作“翻譯”成不同的聲音，實現(xiàn)了動作發(fā)聲系統(tǒng)。通過連接解碼器，該器件還可以播放任意音樂。最后，第二代石墨烯智能人工喉系統(tǒng)可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現(xiàn)了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進(jìn)行體積更小及功能更多的集成，有望實現(xiàn)像“創(chuàng)可貼”一樣貼附在人體喉部并幫助失語者“開口說話”。
近年來，任天令團(tuán)隊致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已取得了多項創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯收發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報》(Nano Letters)、《美國化學(xué)學(xué)會納米》(ACS Nano)、國際電子器件大會(IEDM)等。
清華大學(xué)微納電子系碩士生韋雨宏和博士生喬彥聰?shù)仁俏恼碌墓餐谝蛔髡?，清華大學(xué)微電子所任天令教授、楊軼副教授、田禾助理教授是論文的通訊作者，該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。
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