除此之外，由于傳統的聲學器件不具備柔韌性，故不適用于柔性可穿戴應用，而且隨著柔性可穿戴領域的蓬勃發展，柔性顯示器、傳感器均獲得了較大突破，集成的柔性聲學器件研究顯得十分必要。為了實現一整套柔性電子信息系統，清華大學微電子所長江學者、國家杰出青年基金獲得者任天令教授課題組基于石墨烯的智能人工喉，研發出一種新型智能器件。這是石墨烯在可穿戴領域的全新應用，并有望在生物醫療、語音識別等領域產生重要影響，引起了國內外學者的廣泛關注，具有重大產業化價值。

該新型智能器件具有聲音收發一體化的特點，既能接收聲音，又可以發射聲音，并且具有良好的生物兼容性，貼附在聾啞人喉部便可以輔助聾啞人“開口說話”（如圖1所示）。這種收發同體的集成聲學器件，能夠基于石墨烯的熱聲效應發射聲音，并利用石墨烯的壓阻效應來接收聲音，從而巧妙的實現了單器件的聲音收發同體。不僅如此，在器件制備工藝上采用了獨特的激光直寫技術，能夠直接將成本低廉的大面積聚酰亞胺薄膜快速轉化為圖形化的多孔石墨烯材料。由于多孔石墨烯材料一方面具有高熱導率和低熱容率，能夠通過熱聲效應發出100Hz-40kHz的寬頻譜聲音；另一方面多孔結構對壓力極為敏感，能夠感知發聲時喉嚨處的微弱振動，可以通過壓阻效應接收聲音信號，從而實現了單器件聲音收發一體化集成。因此，可以基于該器件感知聾啞人的低吟等特殊聲音，并將這種“無含義聲音”轉換為頻率、強度可控的聲音（如圖2所示）。

此項原創性研究成果是我國在智能器件領域的重要創新。由于，聲音接收與發射通常是獨立的，發聲器件難以接收聲音、收聲器件難以發射聲音。于是，在發聲方面，此智能人工喉嚨基于熱聲效應，通過給器件施加交流電信號，器件產生周期性變化的焦耳熱，導致器件表面的空氣周期性膨脹收縮，進而產生聲波，實現聲音發射。收聲方面，基于壓阻效應，多孔石墨烯具有疏松孔洞結構，當外力作用在多孔石墨烯上時，會導致微結構發生形變，進而帶來多孔石墨烯阻值的變化，從而實現外力的檢測，而發聲時喉嚨的振動引起的力學變化，足以帶來明顯的電阻變化，從而檢測發聲時喉嚨的振動情況，實現聲音接收。另外，傳統聲學器件基于硬質基底材料，不能彎曲折疊，無法用于可穿戴方面。而石墨烯材料具有熱聲效應和壓阻效應，因此可以同時基于熱聲效應發聲，也可以同時基于壓阻效應收聲，進而具有聲音收發一體化的能力，并且石墨烯具有良好的柔韌性，可以貼附于喉嚨處監測喉嚨振動模式，將聾啞人的喉嚨震動轉化為頻率、幅度可控的聲音。

由此可見，任天令教授課題組的發明取得了顯著成果。石墨烯智能人工喉能夠分辨低吟、尖叫、咳嗽、吞咽、點頭等動作，并能夠根據不同動作發出對應的聲音，帶來了聲學器件的全新革命。這一方面提供了新的媒體交互模式，另一方面可以實現聾啞人聲音的轉換，在生物醫療、媒體交互等方面都具有突出意義。但是，聾啞人喉嚨振動模式還需進一步研究，以便豐富聾啞人的“語言庫”，并通過機器學習和模式識別等技術，實現更加精準的喉嚨震動模式識別。

作者：任天令