Ученые разработали "говорящий" пластырь для немых людей

Новое гибкое устройство, которое крепится на шею, может преобразовывать мышечные движения в речь, позволяя людям говорить, не задействуя голосовые связки.

Небольшой пластырь не только распознает движения горла, связанные с речью, но и использует эти движения для выработки электроэнергии, а это означает, что устройство может работать без батареи или при подключении к сети.

Устройство, описанное в исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, теоретически может помочь общаться людям с нарушениями голоса, вызванными повреждением или параличом голосовых связок.

Ведущий автор исследования Джун Чен, доцент кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, говорит, что идея пластыря возникла после того, как он провел несколько часов, читая лекции, и почувствовал, что его голос устает. Он начал придумывать способ решения этой проблемы и разработал мягкий пластырь, который мог бы позволить людям говорить, когда они потеряли эту способность или выздоравливают от временного нарушения голоса.

По словам Чена, дизайн патча основан на исследовании, опубликованном в 2021 году в журнале Nature Materials, а также на предыдущих исследованиях материалов.

С середины XIX века учёным было известно, что магнитные свойства некоторых твёрдых металлов могут меняться, когда они подвергаются механическому воздействию. Примером этого является сплав железа и галлия, называемый галфенолом, магнитное состояние которого меняется, когда вы сжимаете или деформируете материал. В своем исследовании 2021 года Чен и его коллеги показали, что та же концепция может работать с мягким материалом, состоящим из крошечных магнитов, встроенных в тонкий кремний.

Команда использовала этот материал в пластыре, который реагирует на легкое напряжение, оказываемое на него движением мышц горла. Когда человек выполняет движения, необходимые для разговора, материал реагирует производством электрических сигналов, которые можно перевести в речь.

Для этого пластырь состоит из пяти очень тонких слоев. Внешние слои пластыря изготовлены из мягкого, гибкого кремниевого материала, а средний слой, состоящий из кремния и микромагнитов, генерирует магнитное поле, которое меняется в зависимости от движения мышц горла. Два окружающих его слоя, состоящие из катушек медной проволоки, преобразуют эти изменения магнитного поля в электрические сигналы.

Эти электрические сигналы затем поступают в алгоритм машинного обучения, который преобразует импульсы в речь. Чтобы обучить алгоритм, каждый участник исследования повторял пять коротких фраз по 100 раз каждая, в то время как программа отслеживала движения его горла. Это научило систему ассоциировать определенные движения с заданной фразой.

При демонстрации технологии с участием восьми человек без проблем с речью алгоритм с точностью примерно на 95 % преобразовывал электрические импульсы пластыря в речь. В тестах участников просили произносить предложения вслух или беззвучно. Это доказало, что алгоритм может надежно преобразовать движения мышц в правильные сигналы.

Хотя эти результаты являются многообещающими, патч все еще находится на ранней стадии разработки. Его тестирование ограничивалось восемью людьми, произнесшими несколько фраз, и его еще предстоит протестировать на людях с нарушениями речи.