目前世界上喉癌患者数量日益增加，是仅次于肺癌的第二大呼吸道高发癌。大量喉癌患者需要采用全喉切除手术，成为后天型失语者，我国每年就有超过30万人因意外或癌症等疾病手术而失去声音。而现有电子喉助音器无法清晰还原患者声音，发音模糊，训练周期长，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成极大不便，所以亟需便于失语者携带、操作简单、性能优异的新型人工喉的器件及系统研究。
今年三月，清华大学集成电路学院任天令教授团队第一次将被称为“黑金”的石墨烯转换成具有“收发一体”的可穿戴智能人工喉设备，成功制作了具有声音感知能力的智能石墨烯人工喉，七月该团队又对此人工喉进行改进，在器件柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻型可穿戴等方面有了重大突破，而就在11月13日，渐冻人蔡磊(京东集团原财务副总裁，于2019年被确诊为患有渐冻症)更是成为了全球首个可穿戴人工喉的试用者。
据了解，工作在可听域(20Hz - 20kHz)的传统发声与收声器件通常是分立器件，单器件无法同时实现发声与收声。除此之外，传统的声学器件不具备柔韧性，故不适用于柔性可穿戴应用。而该研究团队创造性地提出了一种收发同体的集成声学器件，能够基于石墨烯的热声效应发射声音，并利用石墨烯的压阻效应来接收声音，从而巧妙的实现了单器件的声音收发同体。
人工喉的工作过程
在器件制备工艺上研究团队采用了独特的激光直写技术，能够直接将成本低廉的大面积聚酰亚胺薄膜快速转化为图形化的多孔石墨烯材料。该多孔石墨烯材料一方面具有高热导率和低热容率，能够通过热声效应发出100Hz-40kHz的宽频谱声音；另一方面多孔结构对压力极为敏感，能够感知发声时喉咙处的微弱振动，可以通过压阻效应接收声音信号，从而实现了单器件声音收发一体化集成。因此，可以基于该器件感知聋哑人的低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、点头等动作，并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音。当前经过数次更迭的新一代石墨烯人工喉，识别一名喉切除术患者模糊说出的日常词汇，识别准确率能够超过90%，可以基本恢复患者的语言交流能力，而尺寸仅有硬币大小。
可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系统
除此以外，经过改进的第二代石墨烯人工喉已经具有了以下的关键性能：
通过专用电路对声音信号的放大和转换，第二代石墨烯智能人工喉首次将收声系统和发声系统连接起来，实现了声音输入到输出的闭环，并可以通过示波器实时观测喉部运动情况。
通过与单片机的结合，该器件可以将人体喉部的不同动作“翻译”成不同的声音，实现了动作发声系统。通过连接解码器，该器件还可以播放任意音乐。
据悉，目前该器件正在与声纹识别、机器学习等技术结合，未来将在语音识别、家庭医疗等领域具有广阔前景。
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