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在人工智能（AI）的幫助下，一種新型柔性貼片，有望幫助部分嗓音障礙患者實現(xiàn)有效溝通。

加州大學洛杉磯分校生物工程系助理教授陳俊及其團隊，開發(fā)了一種可以在機器學習輔助下將喉部肌肉運動轉(zhuǎn)化為語音的“柔性貼片”助聲裝置。

該裝置基于磁彈性效應，使有聲帶障礙的患者能夠通過肌肉運動來產(chǎn)生語音信號，從而輔助其言語功能。

具體來說，這種助聲裝置首先收集患者喉部肌肉運動的數(shù)據(jù)，然后借助機器學習算法對這些信號進行分析和分類，最后識別語義信息并選擇相應的語音信號進行輸出。

圖｜附在喉嚨上的可穿戴柔性貼片示意圖。

據(jù)介紹，這種助聲裝置采用了磁彈性材料，具有重量輕、可拉伸性高、信噪比高等特點，保證了設備的舒適性和可穿戴性。另外，這一助聲裝置也已經(jīng)實現(xiàn)了自供電。

研究團隊對 8 名沒有嗓音障礙的受試者進行了測試，他們被要求在站立、行走和跑步時說出和小聲說出一些單詞和詞組，如“Merry Christmas”或“I love you”。

結(jié)果顯示，該助聲裝置的準確率可達到 95%。

相關研究論文以“Speaking without vocal folds using a machine-learning-assisted wearable sensing-actuation system”為題，剛剛已發(fā)表在科學期刊 Nature Communications 上。

研究團隊認為，該助聲裝置使用了一種全新的技術手段，不依賴于傳統(tǒng)的聲帶，為語音障礙患者提供了一種新的溝通方式。

在患者中進一步測試后，該助聲裝置或使有嗓音障礙的個體能夠更便捷地進行溝通和交流，進而提高整體生活質(zhì)量。

會發(fā)聲的柔性貼片

說話，是人際交往中最重要的組成部分，但對于有聲帶功能障礙的人來說，說話是一件難事。在一生中，約 30% 的人經(jīng)歷過至少一次的嗓音障礙。

現(xiàn)有的解決辦法，比如手持電子喉設備或手術，或多或少地都存在影響日常生活、使用不舒適等問題。因此，我們亟需一種能輔助患者交流的可穿戴、非植入式的醫(yī)療裝置，來改善聲帶功能障礙患者的生活質(zhì)量。

在此次研究中，陳俊團隊設計的柔性磁致彈性貼片，不僅能夠很舒展地貼在患者喉部，還可以隨參與說話運動的喉部肌肉改變形狀，且不需要功能正常的聲帶。

同時，貼片的移動能檢測到特定的肌肉運動，還能發(fā)電，讓該助聲裝置實現(xiàn)自供電。這些運動隨后會被轉(zhuǎn)換成電信號，并由機器學習算法進行處理。該機器算法能夠能識別詞匯并翻譯成語言信號。

圖｜磁彈性層結(jié)構參數(shù)。邊長為 30mm。12 個半圓形單元，直徑 2.16 毫米，在蛇形銅線圈中，跨度 25.92 毫米。比例尺為 10 毫米。

據(jù)論文描述，整個過程包括**四個環(huán)節(jié)：**信號采集、特征提取和壓縮、機器學習分類、聲音輸出。

具體來說，該助聲裝置利用磁性材料與軟物質(zhì)系統(tǒng)中的磁性粉末相互作用的部分，可以導致材料的形變或運動，從而實現(xiàn)了喉部肌肉運動的信號采集。

隨后，采集到的信號經(jīng)過特征提取和壓縮，利用主成分分析（PCA）將每個語音信號壓縮成一個 N 階矩陣，以減少數(shù)據(jù)的冗余，并為后續(xù)的分類做好準備。

然后，經(jīng)過特征提取和壓縮后的信號被輸入到機器學習算法中進行分類。一旦機器學習算法對信號進行了分類，裝置就會選擇相應的聲音信號進行輸出。

最后，這些預先錄制的聲音信號通過助聲裝置的驅(qū)動部分被播放出來，從而實現(xiàn)了對應語音信號的輸出，幫助使用者進行輔助說話。

圖｜機器學習輔助的無聲帶可穿戴語音裝置

測試結(jié)果表明，即使在連續(xù)工作40分鐘后，助聲裝置的聲壓和溫度也沒有出現(xiàn)明顯的下降或升高。這表明了助聲裝置在聲音輸出方面的耐用性和安全性。

在耐汗性測試中，研究團隊使用了人工汗液來模擬真實的使用環(huán)境。結(jié)果表明，即使在存在汗水的情況下，該助聲裝置的性能也表現(xiàn)得很穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的信號衰減。

在不同的正常談話角度下，研究團隊測試了助聲裝置的聲音輸出。結(jié)果顯示，該助聲裝置在各種角度下都表現(xiàn)出了可靠的聲音性能，這就使得其能夠在多種真實生活場景中提供輔助言語。

然而，要想真正地幫助有聲帶障礙的患者，這種助聲裝置還存在一些局限性。

例如，研究中使用的實驗樣本量相對較小，且僅包括了特定年齡和性別的參與者，可能無法完全代表整個人群。未來的研究可以擴大樣本量和范圍，涵蓋更廣泛的人群。

此外，研究中使用了人工汗液模擬汗液環(huán)境，但這種環(huán)境與真實的生理環(huán)境仍存在差異。未來的研究可以更加接近真實生理環(huán)境，以更好地評估助聲裝置在實際使用中的表現(xiàn)。

充滿想象的可穿戴設備

近年來，可穿戴設備的發(fā)展在不斷地突破人類的想象。例如，一頂可清洗的帽子可以幫助視障人士感知交通信號燈的變化，或者一件衣服可以在穿著者瀏覽博物館時充當導游。相關研究于上個月發(fā)表在 Nature 上。

上個月，同樣發(fā)表在 Nature Communications 上的一項研究，其介紹的一種可穿戴情感識別系統(tǒng)，能夠基于自供電的摩擦電原理，通過特制的傳感器單元，同時感知面部和聲音表達所產(chǎn)生的信號，從而實現(xiàn)對人類情感的準確識別。

再者，南開大學研究團隊于去年在 Science 上發(fā)表的一篇論文，介紹了一種“冬天的取暖神器”，實現(xiàn)了全天太陽能供電的雙向溫度調(diào)節(jié)。

同樣，可穿戴設備還可以化身一個可以任意變形的交互式屏幕，屏幕的顯示內(nèi)容與呈現(xiàn)形式可以根據(jù)你們的即時交互內(nèi)容而實時變化，甚至讓你有一種沉浸式的感官體驗。

未來，當想象力坐上技術發(fā)展的快車，這些可穿戴設備將會在各種意義上讓人類的生活變得便捷和美好。

參考鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45915-7 https://samueli.ucla.edu/people/jun-chen/