近年来，研究收发一体化的声学器件并应用到柔性可穿戴领域具有重要研究价值。一般来说，声学器件主要包括发声器件和收声器件。然而，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，由于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，而且随着柔性可穿戴领域的蓬勃发展，柔性显示器、传感器均获得了较大突破，集成的柔性声学器件研究显得十分必要。为了实现一整套柔性电子信息系统，清华大学微电子所长江学者、国家杰出青年基金获得者任天令教授课题组基于石墨烯的智能人工喉，研发出一种新型智能器件。这是石墨烯在可穿戴领域的全新应用，并有望在生物医疗、语音识别等领域产生重要影响，引起了国内外学者的广泛关注，具有重大产业化价值。
该新型智能器件具有声音收发一体化的特点，既能接收声音，又可以发射声音，并且具有良好的生物兼容性，贴附在聋哑人喉部便可以辅助聋哑人“开口说话”（如图1所示）。这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。不仅如此，在器件制备工艺上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。由于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等特殊声音，并将这种“无含义声音”转换为频率、强度可控的声音（如图2所示）。
此项原创性研究成果是我国在智能器件领域的重要创新。由于，声音接收与发射通常是独立的，发声器件难以接收声音、收声器件难以发射声音。于是，在发声方面，此智能人工喉咙基于热声效应，通过给器件施加交流电信号，器件产生周期性变化的焦耳热，导致器件表面的空气周期性膨胀收缩，进而产生声波，实现声音发射。收声方面，基于压阻效应，多孔石墨烯具有疏松孔洞结构，当外力作用在多孔石墨烯上时，会导致微结构发生形变，进而带来多孔石墨烯阻值的变化，从而实现外力的检测，而发声时喉咙的振动引起的力学变化，足以带来明显的电阻变化，从而检测发声时喉咙的振动情况，实现声音接收。另外，传统声学器件基于硬质基底材料，不能弯曲折叠，无法用于可穿戴方面。而石墨烯材料具有热声效应和压阻效应，因此可以同时基于热声效应发声，也可以同时基于压阻效应收声，进而具有声音收发一体化的能力，并且石墨烯具有良好的柔韧性，可以贴附于喉咙处监测喉咙振动模式，将聋哑人的喉咙震动转化为频率、幅度可控的声音。
由此可见，任天令教授课题组的发明取得了显著成果。石墨烯智能人工喉能够分辨低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、点头等动作，并能够根据不同动作发出对应的声音，带来了声学器件的全新革命。这一方面提供了新的媒体交互模式，另一方面可以实现聋哑人声音的转换，在生物医疗、媒体交互等方面都具有突出意义。但是，聋哑人喉咙振动模式还需进一步研究，以便丰富聋哑人的“语言库”，并通过机器学习和模式识别等技术，实现更加精准的喉咙震动模式识别。
作者：任天令
往期推荐
