清華大學任天令教授團隊開發出可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統

清華大學任天令教授團隊開發出可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統

7月9日，清華大學微電子所任天令教授團隊在納米領域重要期刊《美國化學學會納米》（ACS Nano）上發表了題為《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化為對應聲音，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、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。

目前世界上喉癌患者數量日益增加，是僅次于肺癌的第二大呼吸道高發癌。大量喉癌患者需要采用全喉切除手術，成為后天型失語者?，F有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，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、性能優異的新型人工喉的器件及系統研究。



與2017年任天令團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、聲音收發系統集成、動作監測系統、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聲系統方面有了雙重突破，實現了石墨烯的器件級應用至系統級應用的跨越。



通過專用電路對聲音信號的放大和轉換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統和發聲系統連接起來，實現了聲音輸入到輸出的閉環，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，實現了動作發聲系統。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可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進行體積更小及功能更多的集成，有望實現像“創可貼”一樣貼附在人體喉部并幫助失語者“開口說話”。

近年來，任天令團隊致力于石墨烯器件的基礎研究和實用化應用的探索，尤其關注研究突破傳統器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方面已取得了多項創新成果，如柔性石墨烯收發聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器、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成果曾多次發表于《自然通訊》（Nature Communications)、《先進材料》(Advanced Materials)、《納米快報》(Nano Letters)、《美國化學學會納米》(ACS Nano)、國際電子器件大會(IEDM)等。



清華大學微納電子系碩士生韋雨宏和博士生喬彥聰等是文章的共同第一作者，清華大學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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