Naukowcy opracowali elastyczne urządzenie, które można przymocować do szyi, umożliwiające mówienie bez używania fałdów głosowych. Aparat wykorzystuje sztuczną inteligencję do odczytywania ruchów mięśni gardła i krtani i przekształcania ich na mowę.
Samoprzylepne urządzenie może stanowić nieinwazyjne narzędzie komunikacji dla osób, które nie mogą mówić ze względu na problemy z fałdami głosowymi, potocznie określanymi strunami głosowymi. Ten inteligentny, mocowany do skóry plaster, przekształca ruchy mięśni krtani i gardła w sygnały elektryczne, które z kolei są tłumaczone na mowę przez algorytm uczenia maszynowego. Następnie głośnik odtwarza zdania, które osoba zamierzała wypowiedzieć.
Co więcej, sprzęt ten nie tylko wykrywa ruchy gardła i krtani związane z mową, ale także wykorzystuje je do wytwarzania energii elektrycznej, co oznacza, że z urządzenia można korzystać bez baterii. Aparat opisany na łamach „Nature Communications” (DOI: 10.1038/s41467-024-45915-7), teoretycznie mogłoby pomóc w komunikowaniu się osobom z zaburzeniami głosu spowodowanymi uszkodzonymi lub paraliżem fałdów głosowych, ale także tym, którzy wracają do zdrowia po operacji nowotworu gardła.
Jun Chen z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles przyznał, że idea opracowania takiego urządzenia zrodziła się po zmęczeniu głosu kilkoma godzinami wykładów. Zaczął wymyślać sposoby rozwiązania tego problemu i umożliwienia osobie mówienia bez użycia fałdów głosowych. Tak powstała koncepcja zaprojektowania miękkiej nakładki, umożliwiającej komunikację głosową ludziom, którzy utracili tę zdolność lub wracają do zdrowia po przemijającym zaburzeniu głosu.
Od połowy XIX wieku naukowcy wiedzą, że właściwości magnetyczne niektórych sztywnych metali mogą ulec zmianie pod wpływem naprężeń mechanicznych. Przykładem tego jest stop żelaza i galu, zwany galfenolem. W badaniu przeprowadzonym w 2021 r. Chen i jego współpracownicy wykazali, że podobne właściwości można uzyskać w przypadku miękkiego materiału wykonanego z maleńkich magnesów osadzonych w krzemie.
W nowych badaniach zespół Chena wykorzystał wyniki badań sprzed trzech lat i opracował plaster, który reaguje na subtelny nacisk wywierany na niego przez ruch mięśni gardła i krtani. Kiedy dana osoba wykonuje ruchy potrzebne do mówienia, materiał reaguje, wytwarzając sygnały elektryczne, które można przetłumaczyć na mowę.
Urządzenie jest wodoodporne, ma wielkość mniej więcej dużej monety i waży zaledwie siedem gramów. Jego tekstura przypomina gumową rękawicę. Składa się z pięciu bardzo cienkich warstw. Zewnętrzne warstwy plastra wykonane są z miękkiego, elastycznego materiału silikonowego. Środkowa, powstała z krzemu i maleńkich magnesów, generuje pole magnetyczne zmieniające się w zależności od ruchu mięśni gardła i krtani. Dwie warstwy otaczające tę środkową, wykonane z drutu miedzianego, przekształcają zmiany pola magnetycznego na sygnały elektryczne.
Sygnały elektryczne są następnie przekazywane do algorytmu uczenia maszynowego, który tłumaczy impulsy na mowę. Algorytmy musiały uprzednio zostać wytrenowane. W tym celu zrekrutowani ochotnicy setki razy powtarzali krótkie frazy. W tym czasie algorytmy śledziły ruchy gardła i krtani. W ten sposób system nauczył się kojarzenia określonych ruchów z daną frazą.
Podczas demonstracji technologii z udziałem ośmiu osób, które nie miał problemów z mową, algorytm osiągnął około 95 proc. skuteczność w dokładnym tłumaczeniu impulsów elektrycznych z inteligentnego plastra na mowę. Testy te przeprowadzono przy użyciu tych samych krótkich fraz i zdań, na których uczono algorytm. Osoby je wypowiadające podczas testów stały, chodziły, a nawet biegały. Wszystko po to, by pokazać, że urządzenie działa w ruchu. Uczestnicy byli proszeni też o wymawianie zdań na głos lub bezdźwięcznie. W obu przypadkach algorytm był w stanie przełożyć ruchy mięśni na mowę.
Wyniki uzyskane w testach są niezwykle obiecujące, ale należy pamiętać, że urządzenie jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju. Testy ograniczono do zaledwie ośmiu zdrowych osób wypowiadających kilka fraz. Nie przeprowadzono żadnych prób z osobami z zaburzeniami mowy.
Według badania z 2005 roku, które ukazało się na łamach pisma „Laryngoscope”, około 30 proc. osób przynajmniej raz w życiu będzie mieć problem z zaburzeniami głosu. Z kolei z danych Cleveland Clinic wynika, że tylko w USA od 3 do 9 proc. osób cierpi na afonię lub traci głos. Afonia to utrata dźwięczności głosu. Może objawiać się chrypką, ograniczeniem do mówienia szeptem lub całkowitą utrata głosu.
Istniejące technologie pomagające takim osobom są często drogie lub inwazyjne. Do tego wiele osób zwyczajnie nie ma do nich dostępu. Nowy, inteligentny plaster może sprawić, że tego typu technologia wspomagająca stanie się wygodniejsza i mniej inwazyjna.
Źródło: Live Science, Science Alert, fot. Jun Chen Lab/ UCLA
