未来哑巴也能发声？智能人工喉咙，将进一步推动人类社会的发展

在自然界人类的听觉范围内，传统的声源和声音检测器通常是独立而又离散的，因此我们想要聚焦声音就需要借助外在的设备。

但是这种设备既要满足我们的需求，又要方便我们佩戴，因此这种设备为了更好的满足人类的需求便一直处于研究状态。

也是在这种研究下，我们引入了一种智能激光诱导石墨烯人工喉，它不仅可以产生声音，还可以在同一设备中检测声音。

为了更好的满足人类更好的听声音的需求，科学家们创造了很多无线设备来聚焦声音频率，但是这些设备都太过沉重导致人类穿戴十分不便。

因此为了将设备尺寸最小化并将其无缝集成到可穿戴电子设备中，我们迫切需要实现在单一设备中既能生成声音又能检测声音的功能集成。

就在这种情况下，科学家们发现了一种特殊的设备，他们取名为智能激光诱导石墨烯人工喉，这个设备很好的解决了穿戴不便这个问题。

更重要的是，这个智能人工喉对残疾人群会产生更深远的影响，因为它能够捕捉到哑巴等人的喉部振动，这些振动可能以不同的强度或频率发生，然后将其转化为可控的声音。

而且因为激光诱导石墨烯人工喉制备简便、高效，具备出色的柔韧性和低成本等诸多优势，所以它为语音控制、可穿戴电子设备以及众多其他领域的实际应用提供了广阔前景。

人生中充满了太多意外，很多由于疾病和意外事故导致世界上许多人都无法用语言来表达自己，因此一些技术以经的开发能够更好的帮助他们用其他方式表达自己。

比如眼动跟踪技术的发展让他们将眼部运动转化为语言表达，不仅如此他们还可以用眼睛聚焦在他们想要的字符上。

但是这些高效的设备随之而来的是巨大的成本压力和高昂的价格，因此并没有被普遍使用，只有极个别有钱的家庭才会使用这种高端技术。

可是并不是所有残疾人都出生于有钱家庭，反而贫困家庭才会更需要这种高端技术，因此科学家致力于研究出低成本的技术产品。

根据研究发现，有许多哑巴是有能力发出一些没有明确含义的声音，如咳嗽、哼哼或尖叫，这些声音对其他人来说没有明确的含义，但是对于这些人来说是有明确意义的，只是两种人没有办法互相理解。

因此这个时候就需要开发一种易于使用的人工喉咙，这样就可以将这些含义不明确的声音转化为可控的精确语言声音，这也具有重要意义。

而且这还意味着人工喉咙应具备检测和产生声音的能力，然而目前能够实现这一点的声学传感器通常在超声波范围内3或在水下4,5工作，且其工作频带较窄。

并且这种传统的声源和探测器通常是相互隔离且在人类听觉范围内是离散的，此外，它们具有谐振峰和柔韧性差的缺点，根本不适合可穿戴设备的应用，因此科学家们又在继续研究新的技术。

科学家们在研究过程中发现纳米材料和纳米技术有重大效果，并且这两种材料的研究也即将为基于新机制的新型声学设备的发展做出贡献。

比如基于石墨烯、碳纳米管、银纳米线和锡酸铟等的热声声源引起了广泛关注，因为它们具有高透明性、低热容量、宽频率和出色的柔韧性。

这些都是能够更好解决残疾人发声问题的方案，但是有一个问题就是它们的使用需要耗费巨大的物力人力和财力。

因为它们拥有极其复杂的制备过程，并且他们的产率也十分低，因此这种高成本低回报的材料也导致它们被限制热声声源的商业和实际应用。

与此同时，除了这种新型声源以外，一些基于压阻效应的纳米材料声音探测器已经开发出来，然而，这些新型声音探测器对喉部的运动响应是不明显的，要实现实际应用仍然有很长的路要走。

因为这种热声声源和压阻声音探测器的不同工作机制使得在单一设备中实现声源和探测器的功能集成变得困难。

截止到现在，科学家们仍未探索出一条有效的能够在同时实现发声和检测可听声音的功能集成单一设备，造成目前困境的有两个方面的原因。

一方面是因为这些材原本就不可以作为声源，因为大多数这些传感器被封装在弹性聚合物中，比如Ecoflex或聚二甲基硅氧烷，它们被单独拿出来时都会装在一个密闭的聚合物中保存，因此使得它们无法将焦耳热传导到空气中，也就自然不能工作作为声源。

而其余的小部分传感器则是具有非常高的初始电阻，这导致他们产生的焦耳热量很小也不能作为声源工作，于是后来出现的麦克风就成为了这些种类的声源的替代品。

另一方面则是因为以前开发的热声声源不能作为声音探测器工作，因为激光刻蚀石墨的应变增益系数仅为0.11，这意味着它的灵敏度较低，难以作为声音探测器工作，于是传统的扬声器的产生也就替代了这些原材料的功能。

除了上述的材料外，只有以前展示的基于纳米材料的声学设备都不能在听觉范围内具有发声和检测声音的能力，而这种多功能设备不会被任何传统设备替代。

于是科学家们只能寄托于其他方式将纳米材料的功能发挥到极致，恰好在很久之前，另外一批人就用激光刻蚀技术证明是制备基于石墨烯的器件的高效方法，并且这些基于激光刻蚀技术的石墨烯器件已经开发出来，还因此显示出大规模和定制图案的优势。

但是这种方法唯一的劣势就是浪费时间，于是那波人为了节约时间和成本，他们又开发了一种将聚酰亚胺（PI）通过一步法转化为多孔石墨烯薄膜的方法，后来科学家们发现这种方法可以进一步应用于开发超级电容器储能设备和柔性应变传感器。

因为激光诱导石墨烯（LIG）的高热导率和低热容量非常适合于热声声源，此外，多孔结构对微弱振动具有敏感响应，适合声音检测。

在这种巧合下，这种简单且一步法制备很适合于实现这种新型人工喉咙，于是那之后我们便开发了一种一步法、低成本的可穿戴LIG人工喉咙，它是通过PI的直接激光写入，表现出在产生和检测声音方面的良好性能。

这种新型设备与传统的声学换能器相比，它具有完全不同的工作机制，因为传统的声学换能器通常利用压电效应和反压电效应。

但是LIG人工喉咙在作为声源工作时，它可以产生频率从100Hz到40kHz的宽带声音，而且较薄的LIG将产生较高的声压级（SPL），不仅如此，当它作为声音探测器工作时，LIG人工喉咙对不同类型的声音和喉部振动模式表现出独特的响应。

于是科学家就用它进行大量人体实验， 在这些试验后人们发现LIG可以识别不同音调和音量的咳嗽、哼哼和尖叫声，而且它还具有识别单词和句子的能力。

也是因为它这种能够产生和检测声音的能力，智能的LIG人工喉咙就被显著用力帮助残疾人更好的表达方面，而且在研究过程中，科学家发现不同音量和频率的喉部振动可以转化为可控的、预设计的声音。

除了这些优势外，LIG人工喉咙具有一步法制备、高效率、出色的柔韧性和低成本的优势，这种通过使用便携式、低功耗的激光平台可以获得LIG，从而降低了操作风险。LIG人工喉咙在语音控制、可穿戴电子设备等领域具有广阔的应用前景。

这个新型集发声和听声为一体的设备就是采用了激光直接写入技术，从而促进了多孔石墨烯的快速生长，除此之外，我们还选择了一种低成本且便携的激光平台，通过激光的直接照射将其转化为LIG。

举个简单的例子，如果将清华大学的标志和一个6 cm × 4 cm的矩形被导入计算机控制软件，然后通过将PI转化为石墨烯在PI薄膜上生成相同的图案，然后我们制备了一个简单的矩形LIG，用作人工喉咙。

那么这个人工喉咙就会具有发声和检测声音的综合功能，如果再给该装置施加交流电压，这种周期性的焦耳热会导致空气膨胀，从而产生声波，与之相反如果给该设备施加低偏置电压，那么这个声带的振动会引起器件电阻的变化，从而导致电流的波动。

这些设备便可以同时充当声源和探测器，LIG人工喉咙的工作原理就是上述例子的演示结果。