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將一塊僅硬幣大小的圓片，貼在喉嚨處，嗓子有問題的人就可以重獲新“聲”了。

這是清華大學(xué)發(fā)表在Nature子刊上的最新研究成果，一個用石墨烯材料做成的可穿戴喉嚨。

△ Nature Machine Intelligence（自然·機(jī)器智能）

它可以準(zhǔn)確識別到佩戴者喉嚨處的細(xì)微振動以及模糊的話語，然后將之合成為正常的語音，平均識別準(zhǔn)確率高達(dá)99.05%。

據(jù)稱，這款設(shè)備在噪音非常大的地方也好使。

如此一來，那些不能正常發(fā)聲的人，包括喉切除患者、臨時嗓子發(fā)炎者、長時間講課的老師、在嘈雜環(huán)境工作但需要交流的人等，都有救了。

當(dāng)然，還有不少人直接cue起了李雪健老師。

清華可穿戴智能喉，患者實測準(zhǔn)確率91%

要說幫喉嚨有問題的人解決交流問題，科學(xué)家早就在研究了。

不過此前的一些方案由于帶有一系列外設(shè)或者多通道電極，通常具有侵入性且不夠便攜。

要解決這倆問題，需要感應(yīng)器足夠靈敏且小巧，在外部就能使用。

還需要足夠貼合皮膚。

因為理論上，喉部的振動反映的是聲帶以及相關(guān)肌肉群的運動。

一些聲帶發(fā)聲有障礙的人，可能會訓(xùn)練食管發(fā)聲，因此，需要柔性傳感器來保持對皮膚的貼合從而照顧到這一部位。

好在，有這么一種東西可以滿足這些需要。

它就是用柔性激光直寫（laser-scribed）石墨烯（LSG）制成的機(jī)械傳感器，專門用于身體表面。

不過，由于不確定這種設(shè)備對低頻肌肉運動和傳遞到皮膚表面的聲音振動是否敏感，作者團(tuán)隊對它的蜂窩狀微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

最終，它可以做到在>1000次的彎曲測試后仍表現(xiàn)出均勻穩(wěn)定的靈敏度，準(zhǔn)確識別出頻率范圍在100–20kHz之間的振動信息。

由于LSG薄膜具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，這種設(shè)備也可以通過熱聲效應(yīng)產(chǎn)生聲音。在聲音發(fā)射穩(wěn)定性的實驗中，作者證明它可以做到連續(xù)三小時都保持穩(wěn)定。

下面是這款可穿戴智能喉的工作流程：

首先，設(shè)備將收集到的振動信息編碼為標(biāo)準(zhǔn)脈沖編碼調(diào)制（PCM）信號。

然后通過快速傅里葉變換（FFT）生成相應(yīng)的頻譜圖。

接著通過模型進(jìn)行外部處理和識別，將檢測到的多模態(tài)信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的語音。

最后通過熱聲效應(yīng)驅(qū)動設(shè)備發(fā)聲，幫助佩戴者完成交流。

實驗表明，這款設(shè)備對音素、音調(diào)以及單詞的識別準(zhǔn)確率平均達(dá)到了99.05%。

下圖則顯示了設(shè)備在不同強(qiáng)度（dB）噪音下的識別精度。

可以看到，它在環(huán)境噪聲超過60dB的情況下，也能保持識別能力，抗噪能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于麥克風(fēng)。

“Talk is cheap”，作者也進(jìn)行了實戰(zhàn)測試。

他們找來一位完成了喉切除（非全切）手術(shù)的志愿者，檢測六個日常短句的識別情況。

從頻譜圖可以看出，可穿戴智能喉可以感知患者喉嚨的發(fā)聲振動。

不過由于發(fā)聲器官不完整，患者有時會在說話時吞咽聲音。不過微調(diào)模型仍然能夠從信號中提取足夠的信息，將識別準(zhǔn)確率做到81.25%。

接著，他們又對用到的單個AlexNet模型進(jìn)行了優(yōu)化（Alex Net+ReliefF+SVM），最終實現(xiàn)了91%的識別精度。

總的來說，由于制造工藝可行、靈敏度高、性能穩(wěn)定、抗噪能力強(qiáng)以及集成了發(fā)聲能力，作者認(rèn)為，這款可穿戴喉嚨可以成為下一代語音識別和交互系統(tǒng)的理想工具。

而網(wǎng)友們也腦洞大開：

有讓加個音色調(diào)節(jié)的過濾器，變成可穿戴變聲器的；

也有說來個實時翻譯，就讓人直接擁有說多種語言的能力的。

你覺得還有哪些妙用？

論文地址： 

??https://www.nature.com/articles/s42256-023-00616-6