近日，清華大學(xué)微電子所任天令教授課題組在《自然通訊》（NatureCommunications）上發(fā)表了題為《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》（“AnIntelligentArtificialThroatwithSound-SensingAbilityBasedonLaserInducedGraphene”）的研究論文，該新型智能器件具有聲音收發(fā)一體化的特點，既能接收聲音，又可以發(fā)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”。該器件是石墨烯在可穿戴領(lǐng)域的全新應(yīng)用，并有望在生物醫(yī)療、語音識別等領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。

基于石墨烯的人工喉器件示意圖，該器件能夠探測人喉部振動并轉(zhuǎn)化為可控聲音

聲學(xué)器件主要包括發(fā)聲器件和收聲器件。研究收發(fā)一體化的聲學(xué)器件并應(yīng)用到柔性可穿戴領(lǐng)域具有重要研究價值，工作在可聽域（20Hz-20kHz）的傳統(tǒng)發(fā)聲與收聲器件通常是分立器件，單器件無法同時實現(xiàn)發(fā)聲與收聲。除此之外，傳統(tǒng)的聲學(xué)器件不具備柔韌性，故不適用于柔性可穿戴應(yīng)用，另一方面柔性可穿戴領(lǐng)域近些年來蓬勃發(fā)展，柔性顯示器、傳感器均獲得了較大突破，為了實現(xiàn)一整套柔性電子信息系統(tǒng)，有必要研究集成的柔性聲學(xué)器件。

任天令教授課題組創(chuàng)新性地提出了一種收發(fā)同體的集成聲學(xué)器件，能夠基于石墨烯的熱聲效應(yīng)發(fā)射聲音，并利用石墨烯的壓阻效應(yīng)來接收聲音，從而巧妙的實現(xiàn)了單器件的聲音收發(fā)同體。在器件制備工藝上采用了獨特的激光直寫技術(shù)，能夠直接將成本低廉的大面積聚酰亞胺薄膜快速轉(zhuǎn)化為圖形化的多孔石墨烯材料。該多孔石墨烯材料一方面具有高熱導(dǎo)率和低熱容率，能夠通過熱聲效應(yīng)發(fā)出100Hz-40kHz的寬頻譜聲音；另一方面多孔結(jié)構(gòu)對壓力極為敏感，能夠感知發(fā)聲時喉嚨處的微弱振動，可以通過壓阻效應(yīng)接收聲音信號，從而實現(xiàn)了單器件聲音收發(fā)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(zhuǎn)換為頻率、強度可控的聲音，從而有望幫助聾啞人“開口說話”。

近年來，任天令教授致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實用化應(yīng)用的探索，尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件，在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項創(chuàng)新成果，如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器等，相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》（NatureCommunications）《先進材料》（AdvancedMaterials）《納米快報》（NanoLetters）《美國化學(xué)學(xué)會納米》（ACSNano）國際電子器件大會（IEDM）等。

清華大學(xué)微納電子系博士生陶璐琪和微納電子系2015年博士畢業(yè)生田禾（現(xiàn)為南加州大學(xué)博士后）是文章的共同第一作者，清華大學(xué)微電子所任天令教授和楊軼副教授是論文的通訊作者。該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。