Пластырь преобразовал движения связок в слышимую речь

Голос звучит, когда воздух из лёгких вызывает вибрацию голосовых связок, то есть особых складок мышечной ткани в гортани. Но голосовые связки могут пострадать из-за стресса, инфекций либо чрезмерной нагрузки. И такому риску подвержены не только перетрудившиеся певцы или ораторы. Согласно исследованию 2005 года, у 30% людей вообще хотя бы раз в жизни случались подобные неприятности с голосом.


Исследователи-биоинженеры из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе предложили изящное решение. Они изобрели и протестировали мягкий пластырь, который буквально наклеивают на горло. «Липучка» улавливает движения мышц и с помощью алгоритмов машинного обучения преобразовывает эти сигналы в слышимую речь.

Хотя это пока лишь ранняя версия прототипа, в образце уже заметен потенциал на фоне известных альтернатив. А самая простая из них — отказаться от использования пострадавшего голоса и перейти на письменность: набирать и отправлять текстовые сообщения по интернету или воспользоваться старыми добрыми ручкой и бумагой. Но набор текста может быть медленным и неудобным, справедливо отметил Цзюнь Чен, ведущий автор научного проекта.

Более сложные решения — это электроларинкс, то есть искусственные заменители гортани. Так называют внешние устройства, которые нужно прижимать к горлу для преобразования вибраций в речь. Но использовать их не так уж просто: может потребоваться тренировка. Аналоги, встроенные хирургическим путём, довольно сильно травмируют горло и потому воспринимаются пациентами как пугающие. В общем, новость о решении в виде пластыря не могла не заинтересовать многих.

Механизм, лежащий в основе нового устройства, основан на принципе, известном как магнитоупругий эффект или эффект Виллари. Магнитные наночастицы внедряются в эластичные материалы, такие как силиконовые полимеры. Их магнитные свойства могут меняться по мере растяжения конструкции, ведь каждая деформация приводит частицы в движение относительно друг друга, изменяя намагниченность эластичного материала. При встраивании в пластырь с окаймлением из медных катушек, генерирующих фоновое магнитное поле, движения частиц можно точно фиксировать как колебания.

Когда мышцы горла двигаются под силиконовым пластырем, возникающие колебания магнитного поля могут быть преобразованы в электрические сигналы. В эксперименте с участием восьми добровольцев исследователи фиксировали производимые сигналы во время говорения. А также испытуемые артикулировали одними лишь губами пять предложений, в том числе: «Надеюсь, ваши эксперименты проходят успешно!», «Счастливого Рождества!» и «Я люблю тебя!».

Затем исследователи натренировали модель машинного обучения, чтобы она распознавала электрические сигналы, соответствующие каждой фразе. Алгоритм смог расшифровать, какие из пяти предложений произнесли участники — вслух или про себя — с точностью более 90%.

Устройство в виде пластыря даёт дополнительные преимущества. В придачу к эластичности пластырь остаётся липким, то есть функциональным даже на потной коже. Образец можно было использовать непрерывно в течение 40 минут.

Впереди ещё много работы, признают исследователи, ведь пока что наклеиваемое устройство распознаёт всего лишь те самые разученные пять фраз. Кроме того, индивидуальные различия в голосовых связках означают, что алгоритм должен быть подготовлен для каждого отдельно взятого пользователя. Чтобы сделать концепт реально работающим, изобретателям предстоит собрать ещё очень много данных.