前言
该设备的尺寸略大于1平方英寸，可以帮助声带功能失调的人恢复语音功能。
（图片来源：Jun Chen Lab, UCLA）
关键要点
1. 加州大学洛杉矶分校的生物工程师发明了一种薄而灵活的装置，可以粘附在颈部，并将喉部的肌肉运动转化为可听见的语音。
2. 该设备通过机器学习进行训练，以识别哪些肌肉运动对应于哪些单词。
3. 对于因声带问题而失去说话能力的人来说，这种自供电技术可以作为一种非侵入性工具。
患有嗓音障碍的人，包括患有病理性声带疾病或正在从喉癌手术中恢复的人，通常会发现说话困难。现在，这种情况可能会很快得到改变。
加州大学洛杉矶分校的一组工程师发明了一种柔软、薄、有弹性的装置，尺寸刚刚超过 1 平方英寸，可以附着在喉咙外的皮肤上，帮助声带功能失调的人恢复发声功能。他们的进展上周在《自然通讯》杂志上进行了详细介绍。
由加州大学洛杉矶分校Samueli工程学院生物工程助理教授Jun Chen及其同事开发的新型生物电系统能够检测人喉部肌肉的运动，并在机器学习技术的帮助下将这些信号转换为可听见的语音 - 准确率接近95%。
这一突破是为帮助残疾人所做的最新努力。他的团队之前开发了一种可穿戴手套，能够将美国手语实时翻译成英语语音，以帮助ASL用户与那些不知道如何手语的人进行交流。
这种微小的新型贴片状设备由两个组件组成。一种是自供电传感组件，可检测肌肉运动产生的信号并将其转换为高保真、可分析的电信号; 然后使用机器学习算法将这些电信号转换为语音信号。另一个是驱动组件，将这些语音信号转换为所需的语音表达。
这两个组件分别包含两层：一层具有弹性的生物相容性有机硅化合物聚二甲基硅氧烷或PDMS，以及由铜感应线圈制成的磁感应层。夹在两个组件之间的是第五层，其中包含与微磁体混合的PDMS，从而产生磁场。
利用Chen团队在2021年开发的软磁弹性传感机制，该设备能够检测由于机械力（在这种情况下是喉部肌肉的运动）而改变的磁场变化。磁弹性层中嵌入的蛇形感应线圈有助于产生用于传感目的的高保真电信号。
该设备每边长 1.2 英寸，重约 7 克，厚度仅为 0.06 英寸。使用双面生物相容性胶带，它可以很容易地粘附在声带位置附近的个人喉咙上，并且可以根据需要通过重新粘贴胶带来重复使用。
嗓音障碍在所有年龄段和人口群体中都很普遍; 研究表明，近 30% 的人一生中至少会经历一种此类疾病。然而，通过手术干预和语音治疗等治疗方法，声音恢复可以从三个月到一年不等，一些侵入性技术需要相当长的术后强制性语音休息时间。
可穿戴技术的设计足够灵活，可以随皮肤下喉部肌肉的活动移动并捕捉。（图片来源：Jun Chen Lab, UCLA）
“现有的解决方案，如手持式电喉设备和气管食管穿刺手术可能不方便，侵入性或不舒服。”加州大学洛杉矶分校可穿戴生物电子研究小组负责人Chen说，并连续五年被评为世界上被引用次数最多的研究人员之一。“这种新设备提供了一种可穿戴的非侵入性选择，能够帮助患者在治疗前和治疗后恢复期间进行语音障碍的交流。
该设备的两个组件和五层允许它将肌肉运动转化为电信号，在机器学习的帮助下，这些电信号最终被转换为语音信号和可听见的声音表达。（图片来源：Jun Chen Lab, UCLA）
机器学习如何实现可穿戴技术
在他们的实验中，研究人员在八名健康成年人身上测试了可穿戴技术。他们收集了有关喉部肌肉运动的数据，并使用机器学习算法将生成的信号与某些单词相关联。然后，他们通过设备的驱动组件选择相应的输出语音信号。
研究小组通过让参与者大声和无声地发音五个句子来证明该系统的准确性，包括“嗨，瑞秋，你今天过得怎么样？”和“我爱你！”
该模型的整体预测准确率为94.68%，参与者的语音信号被驱动组件放大，表明感知机制识别了他们的喉部运动信号，并匹配了参与者希望说出的相应句子。
展望未来，研究团队计划继续通过机器学习扩大该设备的词汇量，并在语言障碍患者中进行测试。
该论文的其他作者是加州大学洛杉矶分校Samueli的研究生Ziyuan Che，Chrystal Duan，Xiao Wan，Jing Xu和Tianqi Zheng，他们都是Chen实验室的成员。
该研究由美国国立卫生研究院，美国海军研究办公室，美国心脏协会，大脑与行为研究基金会，加州大学洛杉矶分校临床和转化科学研究所以及加州大学洛杉矶分校萨缪利工程学院资助。
