日前，任天令課題組在《自然通訊》上發(fā)表了題為《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》的研究論文，利用多孔石墨烯材料的優(yōu)勢(shì)，制造出一種收發(fā)同體、適合穿戴的集成聲學(xué)器件。

據(jù)介紹，這種集成聲學(xué)器件，利用石墨烯的熱聲效應(yīng)來發(fā)射聲音，利用石墨烯的壓阻效應(yīng)來接收聲音，實(shí)現(xiàn)了單器件的聲音收發(fā)同體。器件使用的多孔石墨烯材料具有高熱導(dǎo)率和低熱容率的特點(diǎn)，能夠通過熱聲效應(yīng)發(fā)出100HZ～40kHZ的寬頻譜聲音。其多孔結(jié)構(gòu)對(duì)壓力也極為敏感，能夠感知發(fā)聲時(shí)喉嚨處的微弱振動(dòng)，可以通過壓阻效應(yīng)接收聲音信號(hào)。因此，這種器件能夠準(zhǔn)確感知聾啞人低吟、尖叫等特殊聲音，并將這種“無含義聲音”轉(zhuǎn)換為頻率、強(qiáng)度可控的聲音，有望在將來轉(zhuǎn)換為預(yù)先錄制的語言。

當(dāng)“人工喉”佩戴者大聲發(fā)出低吟時(shí)，人工喉會(huì)感知喉嚨振動(dòng)狀態(tài)并發(fā)出預(yù)先設(shè)定的聲音，當(dāng)佩戴者變換低吟的長(zhǎng)短、聲調(diào)時(shí)，人工喉發(fā)出的聲音也會(huì)隨之對(duì)應(yīng)發(fā)生明顯變化。

據(jù)參與該項(xiàng)創(chuàng)新成果的清華大學(xué)微納電子系博士生陶璐琪介紹，“解碼”之前，需要聾啞人根據(jù)自己的發(fā)聲特點(diǎn)，將不同強(qiáng)度和不同頻率的低吟、尖叫音進(jìn)行排列組合，形成聾啞人的“語言編碼”。

“‘編碼’后的每個(gè)聾啞人發(fā)音，就像鍵盤上的字母鍵，只需要用不同排列組合，就能表達(dá)出聾啞人連續(xù)的、完整的語義。這就把我們常人聽不懂的聾啞人低吟音轉(zhuǎn)化成為正常的語言，并且可以連續(xù)表達(dá)。”陶璐琪說。

智能石墨烯人工喉除了能夠辨別不同音調(diào)，還能根據(jù)聲音強(qiáng)弱、尖叫、咳嗽等聲音震動(dòng)，“解碼”出不同種類的聾啞人“語言”，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)音節(jié)和音調(diào)的排列組合，讓聾啞人說出更豐富的句子。

延伸閱讀

石墨烯:或?qū)?ldquo;徹底改變21世紀(jì)”

石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以一種方式組成六角型呈蜂窩晶格的平面薄膜，是只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。它在垂直方向的高度大約為1nm(納米 1納米=10的負(fù)9次方米)左右，是除金剛石以外所有碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元。

實(shí)際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。

老材料得“新生”

很早之前就有物理學(xué)家在理論上預(yù)言，準(zhǔn)二維晶體如石墨烯本身熱力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，在室溫環(huán)境下會(huì)迅速分解或者蜷曲，所以不能單獨(dú)存在。

直到2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，證實(shí)它可以單獨(dú)存在，對(duì)于石墨烯的研究才開始活躍起來，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

剛剛獲得第十三屆“中國青年女科學(xué)家獎(jiǎng)”的清華大學(xué)物理系教授周樹云,就是我國研究石墨烯的頂級(jí)專家之一。

“新材料之王”

作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域。

消費(fèi)電子展上可彎曲屏幕備受矚目，成為未來移動(dòng)設(shè)備顯示屏的發(fā)展趨勢(shì)。柔性顯示未來市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。

應(yīng)用前景廣闊

石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級(jí)計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)快數(shù)百倍。

另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的氣體分子(氦氣)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。

因?yàn)橹挥幸粚釉?，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，石墨烯也有著全新的電學(xué)屬性。石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。

在塑料里摻入百分之一的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性;加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星