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澳門大學鐘俊文課題組 Adv. Mater.：用于盲文-語音轉譯的靜電型智能織物
2024-03-21  來源：高分子科技

  據世界衛生組織統計，全球約有 4500 萬盲人和 1.7 億語言障礙患者。可穿戴人機交互技術，包括觸覺反饋執行器、電子觸覺渲染系統、視覺假肢已被應用于再現觸覺刺激或喚起盲人的視覺感知。但是，這些技術側重于盲人的視覺和觸覺反饋，而忽視了聽覺反饋的重要性？纱┐髅の-語音轉譯系統由一個捕捉盲文信息的觸覺傳感器陣列和一個產生語音信息的揚聲器組成，可極大地幫助盲人閱讀和語言障礙者發聲。



  近日，澳門大學鐘俊文教授團隊在Advanced Materials (IF:29.4)上發表了題為“Electrostatic smart textiles for Braille-to-speech translation”的學術論文。該工作報道了一種柔性、輕薄、全織物的雙功能靜電機電轉換器，可同時用作觸覺傳感器和揚聲器。該器件由織物絕緣體和夾在織物電極之間的駐極體織物組成，具有良好的穿戴舒適性。同時，該器件具有出色的機械耐久性（連續折疊1000次，彎曲、拉伸和扭轉狀態下輸出性能不變）、工作穩定性（靜置30天依然輸出穩定）、電壓輸出（觸覺傳感靈敏度1.06 V/kPa）和聲音輸出（88 dB@10 kHz, 30 Vrms）。器件可被集成到衣服中，用作進行盲文信息編碼的觸覺傳感器（6個小器件）和產生語音信息的揚聲器（1個大器件）。結合便攜式處理電路（內部嵌入機器學習算法），構建了可穿戴盲文-語音轉譯系統。該系統可實時地將盲文字母和 40 個常用單詞轉換成語音，準確率分別高達 99.04% 和 97.08%。雖然該系統目前只能轉譯 40個單詞，如果使用更大的存儲容量和更強大的處理器，其能力可以拓展和加強。此外，將來還可以采用更加小型和柔性的處理電路來提高集成能力。與當前的盲文-語音轉譯系統（如商用觸覺傳感器與揚聲器的結合）相比，該系統具有結構緊湊、集成于紡織品、易于制造等優點。此外，單詞和句子的編碼規則簡單，用戶易于掌握。


圖 1. 基可穿戴盲文-語音轉譯系統的設計。(A) 靜電型機電轉換器結構圖。 (B) 觸覺傳感器和揚聲器的工作原理。(C) 器件與衣物的集成以及盲文到語音的轉譯過程。它包括一個用于編碼盲文信息的觸覺傳感器陣列（6個小器件）、一個用于根據盲文信息生成相應聲音信號的讀出電路、一個用于生成語音的揚聲器（1個大器件）。

圖 2. 靜電型機電轉換器的發聲性能。(A) 測量發聲性能的實驗裝置照片。(B) 駐極體織物孔徑對 1 和 10 kHz 聲壓級的影響。(C) 間隔織物的網目數對 1 和 10 kHz 時聲壓級的影響。諧振頻率和平均聲壓級隨（D）電極厚度和（E）電極孔隙率的變化。(F) 當驅動頻率為 20 Hz 至 20 kHz 時，不同面積器件的輸出聲壓級。器件的輸出聲壓級與 (G) 驅動電壓和 (H)測量距離的關系。(I) 器件的輸出聲壓級的方向性。


圖 3. 與紡織品集成的靜電型機電轉換器的聲學性能。(A) 器件照片和它在平放、彎曲、拉伸、扭曲等不同狀態下產生的 "可穿戴電子設備"聲波圖譜。(B) 連續折疊達 1000 次時，器件在 1、5 和 10 kHz 頻率下的聲壓級變化。(C) 器件在不同環境濕度下連續 30 天的輸出變化。(D)-(G) 靜電型機電轉換器和手機發出的 "人機交互 "聲波和頻譜比較。


圖 4. 靜電型機電轉換器的觸覺傳感性能。 (A) 輸出開路電壓與壓力的關系。(B) 器件在 8.8 kPa 壓力下，對不同按壓頻率的輸出開路電壓。(C) 不同彎曲角度下，器件的輸出開路電壓。(D)-(F) 在 8.8 kPa 壓力和 2 Hz 頻率下，反復按壓 3,900 次后器件的穩定性。(G) 器件在不同環境濕度下連續 14 天的穩定性測試。


圖 5. 靜電型機電轉換器在盲文-語音轉譯中的應用驗證。(A) 器件陣列識別盲文字母。 (B) 器件陣列識別 40 個具有代表性的單詞。(C) 40 個單詞分類準確率的散點圖。(D) 3 名新使用者準確表達單詞所需的平均訓練頻率與單詞中字母數量的關系。

  論文第一作者為澳門大學科技學院博士后研究員李肇陽，論文通訊作者為澳門大學科技學院鐘俊文助理教授，上海交通大學彭爭春教授和上海大學鐘其澤教授為本工作提供了寶貴的幫助。

  原文鏈接 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202313518

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（責任編輯：xu）
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