前言
該設備的尺寸略大于1平方英寸，可以幫助聲帶功能失調的人恢復語音功能。
（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
關鍵要點
1. 加州大學洛杉磯分校的生物工程師發明了一種薄而靈活的裝置，可以粘附在頸部，并將喉部的肌肉運動轉化為可聽見的語音。
2. 該設備通過機器學習進行訓練，以識別哪些肌肉運動對應于哪些單詞。
3. 對于因聲帶問題而失去說話能力的人來說，這種自供電技術可以作為一種非侵入性工具。
患有嗓音障礙的人，包括患有病理性聲帶疾病或正在從喉癌手術中恢復的人，通常會發現說話困難。現在，這種情況可能會很快得到改變。
加州大學洛杉磯分校的一組工程師發明了一種柔軟、薄、有彈性的裝置，尺寸剛剛超過 1 平方英寸，可以附著在喉嚨外的皮膚上，幫助聲帶功能失調的人恢復發聲功能。他們的進展上周在《自然通訊》雜志上進行了詳細介紹。
由加州大學洛杉磯分校Samueli工程學院生物工程助理教授Jun Chen及其同事開發的新型生物電系統能夠檢測人喉部肌肉的運動，并在機器學習技術的幫助下將這些信號轉換為可聽見的語音 - 準確率接近95%。
這一突破是為幫助殘疾人所做的最新努力。他的團隊之前開發了一種可穿戴手套，能夠將美國手語實時翻譯成英語語音，以幫助ASL用戶與那些不知道如何手語的人進行交流。
這種微小的新型貼片狀設備由兩個組件組成。一種是自供電傳感組件，可檢測肌肉運動產生的信號并將其轉換為高保真、可分析的電信號; 然后使用機器學習算法將這些電信號轉換為語音信號。另一個是驅動組件，將這些語音信號轉換為所需的語音表達。
這兩個組件分別包含兩層：一層具有彈性的生物相容性有機硅化合物聚二甲基硅氧烷或PDMS，以及由銅感應線圈制成的磁感應層。夾在兩個組件之間的是第五層，其中包含與微磁體混合的PDMS，從而產生磁場。
利用Chen團隊在2021年開發的軟磁彈性傳感機制，該設備能夠檢測由于機械力（在這種情況下是喉部肌肉的運動）而改變的磁場變化。磁彈性層中嵌入的蛇形感應線圈有助于產生用于傳感目的的高保真電信號。
該設備每邊長 1.2 英寸，重約 7 克，厚度僅為 0.06 英寸。使用雙面生物相容性膠帶，它可以很容易地粘附在聲帶位置附近的個人喉嚨上，并且可以根據需要通過重新粘貼膠帶來重復使用。
嗓音障礙在所有年齡段和人口群體中都很普遍; 研究表明，近 30% 的人一生中至少會經歷一種此類疾病。然而，通過手術干預和語音治療等治療方法，聲音恢復可以從三個月到一年不等，一些侵入性技術需要相當長的術后強制性語音休息時間。
可穿戴技術的設計足夠靈活，可以隨皮膚下喉部肌肉的活動移動并捕捉。（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
“現有的解決方案，如手持式電喉設備和氣管食管穿刺手術可能不方便，侵入性或不舒服。”加州大學洛杉磯分校可穿戴生物電子研究小組負責人Chen說，并連續五年被評為世界上被引用次數最多的研究人員之一。“這種新設備提供了一種可穿戴的非侵入性選擇，能夠幫助患者在治療前和治療后恢復期間進行語音障礙的交流。
該設備的兩個組件和五層允許它將肌肉運動轉化為電信號，在機器學習的幫助下，這些電信號最終被轉換為語音信號和可聽見的聲音表達。（圖片來源：Jun Chen Lab, UCLA）
機器學習如何實現可穿戴技術
在他們的實驗中，研究人員在八名健康成年人身上測試了可穿戴技術。他們收集了有關喉部肌肉運動的數據，并使用機器學習算法將生成的信號與某些單詞相關聯。然后，他們通過設備的驅動組件選擇相應的輸出語音信號。
研究小組通過讓參與者大聲和無聲地發音五個句子來證明該系統的準確性，包括“嗨，瑞秋，你今天過得怎么樣？”和“我愛你！”
該模型的整體預測準確率為94.68%，參與者的語音信號被驅動組件放大，表明感知機制識別了他們的喉部運動信號，并匹配了參與者希望說出的相應句子。
展望未來，研究團隊計劃繼續通過機器學習擴大該設備的詞匯量，并在語言障礙患者中進行測試。
該論文的其他作者是加州大學洛杉磯分校Samueli的研究生Ziyuan Che，Chrystal Duan，Xiao Wan，Jing Xu和Tianqi Zheng，他們都是Chen實驗室的成員。
該研究由美國國立衛生研究院，美國海軍研究辦公室，美國心臟協會，大腦與行為研究基金會，加州大學洛杉磯分校臨床和轉化科學研究所以及加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院資助。
