Новое гибкое устройство, которое крепится на шею, может преобразовывать мышечные движения в речь, позволяя людям говорить, не задействуя для этого голосовые связки.
Небольшой пластырь не только распознаёт движения горла, связанные с речью, но и использует эти движения для выработки электроэнергии, а это означает, что устройство может работать без батареи или подключения к сети.
Устройство, описанное в исследовании, опубликованном во вторник (12 марта) в журнале Nature Communications, теоретически может помочь людям с нарушениями голоса, вызванными повреждением или параличом голосовых связок, общаться, в том числе тем, кто выздоравливает после операции, связанной с раком горла.
Ведущий автор исследования Цзюнь Чен (Jun Chen), доцент кафедры биоинженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, рассказал Live Science, что идея создания пластыря возникла после того, как он провёл несколько часов за чтением лекции и в какой-то момент почувствовал, что ему становится сложно говорить. Он начал размышлять о способе решить эту проблему: предоставить человеку возможность говорить, не используя свои голосовые связки.
Эта мысль привела Чена и его коллег к разработке мягкого пластыря, который мог бы позволить людям говорить, когда они потеряли эту способность или восстанавливаются после временного нарушения голоса.
Дизайн пластыря основан на исследованиях, опубликованных в 2021 году в журнале Nature Materials, а также на предыдущих исследованиях материалов, подчеркнул Чен, который был старшим автором исследования 2021 года.
С середины 19 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 гальфенолом, магнитное состояние которого изменяется при сжатии или деформации материала. В своём 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.
Теперь же, в своём последнем исследовании, команда использовала этот материал в пластыре, который реагирует на лёгкое напряжение, оказываемое на него движением мышц горла. Когда человек выполняет движения, необходимые для разговора, материал реагирует производством электрических сигналов, которые можно преобразовать в речь.
Для этого пластырь состоит из пяти очень тонких слоёв. 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 трансформирует импульсы в речь. Чтобы обучить алгоритм, каждый участник исследования повторял пять коротких фраз по 100 раз каждую, в то время как программа отслеживала движения их горла. Это научило систему ассоциировать определённые движения с заданной фразой.
При демонстрации технологии с участием восьми человек без проблем с речью алгоритм преобразовывал электрические импульсы пластыря в речь с точностью примерно 95%. Эти тесты проводились с использованием тех же коротких фраз и предложений, на которых обучался алгоритм, включая «Счастливого Рождества» и «Надеюсь, что ваши эксперименты проходят успешно», которые испытуемые произносили, стоя на месте, ходя и бегая.
В различных экспериментах участников просили произносить предложения вслух или «произносить их беззвучно». Эти тесты показывают, что в любом случае алгоритм может надёжно преобразовывать движения мышц в правильные сигналов.
И хотя эти результаты являются многообещающими, патч всё ещё находится на ранней стадии разработки. Его тестирование ограничивалось восемью людьми, произнесшими несколько фраз, и его ещё предстоит протестировать на людях с речевыми нарушениями. Чен сказал, что ещё одним ограничением является то, что текущий процесс производства пластырей необходимо будет масштабировать и сделать более эффективным для производства большого количества пластырей.
Заглядывая в будущее, исследователи также хотят расширить возможности устройства по переводу предложений, добавил Чен.
Согласно опросу 2005 года, опубликованному в журнале «Laryngoscope», около 30% людей в течение жизни страдают хотя бы одним нарушением голоса. А Клиника Кливленда сообщает, что от 3% до 9% людей в США страдают афонией, или потерей голоса. Афония может проявляться охриплостью голоса, неспособностью говорить выше шепота или полной потерей голоса.
Существующие технологии, помогающие людям, которые не могут говорить, такие как небольшое устройство с батарейным питанием, называемое электрогортанью, часто являются дорогостоящими или инвазивными, и многие люди просто не имеют к ним доступа. Другие устройства полагаются на перевод письменного текста или набора символов в речь, что не является прямой заменой разговорной речи. Если эффективность нового пластыря окажется доказанной, он сможет сделать подобные вспомогательные технологии более удобными и менее инвазивными, пишут авторы в своём отчёте.
Эта статья носит исключительно информационный характер и не предназначена для того, чтобы предоставляться в качестве медицинской рекомендации.
