在你看不到的地方，說話這件小事對于許多人來說「難于登天」：2014 年美國一項針對發(fā)聲障礙的研究發(fā)現(xiàn)，近 1800 萬成年人在使用聲道說話時存在困難，而該群體中超過一半的人經(jīng)歷過言語衰弱問題的時間超過 10 年。

現(xiàn)在，一種新型非侵入式可穿戴設(shè)備成為了這一醫(yī)療需求新的解決方法。該技術(shù)包括粘附在脖子上的輕質(zhì)貼片，該貼片可以測量人的頸部運(yùn)動。接著，設(shè)備處理器將這些信號轉(zhuǎn)換為語音，然后播放語音音頻來代替人類發(fā)聲。

這項研究由來自加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）生物醫(yī)學(xué)工程助理教授 Jun Chen 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組完成。相關(guān)研究登上《自然通訊》。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45915-7

該團(tuán)隊創(chuàng)造了一種靈活的電磁響應(yīng)可穿戴設(shè)備，可以測量細(xì)微的頸部肌肉運(yùn)動。然后，下游設(shè)備（不是傳感貼片）使用經(jīng)過訓(xùn)練的可識別一組短語詞典的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，將貼片感應(yīng)到的肌肉運(yùn)動解碼為語音。

這項技術(shù)可以造福那些受傷或患有聲帶麻痹疾病的人，以及那些做過喉切除術(shù)的人。

不過，該設(shè)備可以播放的句子數(shù)量有限，目前的原型 AI 模型僅能從五個句子中做出選擇：嗨，你今天過得怎么樣？；希望你的實驗進(jìn)展順利！；圣誕節(jié)快樂！; 我愛你！; 我不相信你。此外，該模型根據(jù)沒有任何言語障礙的人的頸部運(yùn)動進(jìn)行了訓(xùn)練和測試。

無聲的醫(yī)療技術(shù)

醫(yī)療設(shè)備公司 Atos Medical 的臨床教育家 Barbara Messing 博士表示，「為患者提供更多選擇有助于提高他們的生活質(zhì)量，這就是我們所有人都想要的。」

為了讓用戶聽得見聲音，該設(shè)備將感應(yīng)到的肌肉運(yùn)動信號傳遞給在外部處理器上運(yùn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。該模型經(jīng)過訓(xùn)練，可以檢測與固定數(shù)量的預(yù)定義句子相對應(yīng)的肌肉運(yùn)動模式。當(dāng)它檢測到這些短語之一時，處理器就會通過像揚(yáng)聲器一樣的振動貼片來播放該句子。

研究人員開發(fā)了一種由人工智能驅(qū)動的發(fā)聲貼片，可以非侵入性地粘附在喉部。然后，磁感應(yīng)線圈和其中的柔性磁性材料就可以推斷皮膚下頸部和喉嚨的運(yùn)動。

這個系統(tǒng)的喉部貼片應(yīng)用了 Jun Chen 教授小組的關(guān)于新材料科學(xué)的研究成果，他們利用了材料當(dāng)中一種稱為磁彈性的特性。在這種特性下，材料在被拉伸和壓縮時，其磁場強(qiáng)度會發(fā)生變化。日常活動和頸部運(yùn)動會拉伸貼片，導(dǎo)致磁場發(fā)生變化，然后由內(nèi)置的柔性感應(yīng)線圈進(jìn)行測量。這些材料協(xié)同工作，感知用戶頸部肌肉的微小 3D 運(yùn)動。

新型磁彈性材料的靈活性使其能夠粘附并準(zhǔn)確跟蹤用戶頸部肌肉的運(yùn)動，這是先前已知的由磁彈性材料制成的類似傳感器無法做到的。為了進(jìn)一步提高其靈敏度，該小組將材料塑造成剪紙圖案（一種類似于折紙的紙工藝，允許切割），使傳感器在較小的拉伸和偏轉(zhuǎn)下表現(xiàn)均勻。

Jun Chen 教授表示，未來他們致力于將其研究成果轉(zhuǎn)化為醫(yī)療設(shè)備，不斷的優(yōu)化設(shè)備并標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)的制造程序，改進(jìn)軟件和硬件，增加翻譯詞匯量和準(zhǔn)確性，讓設(shè)備更加人性化。Jun Chen 教授估計，他們將在 3-5 年內(nèi)生產(chǎn)出一種可行的醫(yī)療設(shè)備。