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澳門大學(xué)鐘俊文課題組 Adv. Mater.：用于盲文-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯的靜電型智能織物
2024-03-21  來(lái)源：高分子科技

  據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，全球約有 4500 萬(wàn)盲人和 1.7 億語(yǔ)言障礙患者。可穿戴人機(jī)交互技術(shù)，包括觸覺(jué)反饋執(zhí)行器、電子觸覺(jué)渲染系統(tǒng)、視覺(jué)假肢已被應(yīng)用于再現(xiàn)觸覺(jué)刺激或喚起盲人的視覺(jué)感知。但是，這些技術(shù)側(cè)重于盲人的視覺(jué)和觸覺(jué)反饋，而忽視了聽(tīng)覺(jué)反饋的重要性？纱┐髅の-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)由一個(gè)捕捉盲文信息的觸覺(jué)傳感器陣列和一個(gè)產(chǎn)生語(yǔ)音信息的揚(yáng)聲器組成，可極大地幫助盲人閱讀和語(yǔ)言障礙者發(fā)聲。



  近日，澳門大學(xué)鐘俊文教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials (IF:29.4)上發(fā)表了題為“Electrostatic smart textiles for Braille-to-speech translation”的學(xué)術(shù)論文。該工作報(bào)道了一種柔性、輕薄、全織物的雙功能靜電機(jī)電轉(zhuǎn)換器，可同時(shí)用作觸覺(jué)傳感器和揚(yáng)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(shí)，該器件具有出色的機(jī)械耐久性（連續(xù)折疊1000次，彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下輸出性能不變）、工作穩(wěn)定性（靜置30天依然輸出穩(wěn)定）、電壓輸出（觸覺(jué)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(jìn)行盲文信息編碼的觸覺(jué)傳感器（6個(gè)小器件）和產(chǎn)生語(yǔ)音信息的揚(yáng)聲器（1個(gè)大器件）。結(jié)合便攜式處理電路（內(nèi)部嵌入機(jī)器學(xué)習(xí)算法），構(gòu)建了可穿戴盲文-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)地將盲文字母和 40 個(gè)常用單詞轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音，準(zhǔn)確率分別高達(dá) 99.04% 和 97.08%。雖然該系統(tǒng)目前只能轉(zhuǎn)譯 40個(gè)單詞，如果使用更大的存儲(chǔ)容量和更強(qiáng)大的處理器，其能力可以拓展和加強(qiáng)。此外，將來(lái)還可以采用更加小型和柔性的處理電路來(lái)提高集成能力。與當(dāng)前的盲文-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)（如商用觸覺(jué)傳感器與揚(yáng)聲器的結(jié)合）相比，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成于紡織品、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。此外，單詞和句子的編碼規(guī)則簡(jiǎn)單，用戶易于掌握。


圖 1. 基可穿戴盲文-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(A) 靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖。 (B) 觸覺(jué)傳感器和揚(yáng)聲器的工作原理。(C) 器件與衣物的集成以及盲文到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)譯過(guò)程。它包括一個(gè)用于編碼盲文信息的觸覺(jué)傳感器陣列（6個(gè)小器件）、一個(gè)用于根據(jù)盲文信息生成相應(yīng)聲音信號(hào)的讀出電路、一個(gè)用于生成語(yǔ)音的揚(yáng)聲器（1個(gè)大器件）。

圖 2. 靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器的發(fā)聲性能。(A) 測(cè)量發(fā)聲性能的實(shí)驗(yàn)裝置照片。(B) 駐極體織物孔徑對(duì) 1 和 10 kHz 聲壓級(jí)的影響。(C) 間隔織物的網(wǎng)目數(shù)對(duì) 1 和 10 kHz 時(shí)聲壓級(jí)的影響。諧振頻率和平均聲壓級(jí)隨（D）電極厚度和（E）電極孔隙率的變化。(F) 當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為 20 Hz 至 20 kHz 時(shí)，不同面積器件的輸出聲壓級(jí)。器件的輸出聲壓級(jí)與 (G) 驅(qū)動(dòng)電壓和 (H)測(cè)量距離的關(guān)系。(I) 器件的輸出聲壓級(jí)的方向性。


圖 3. 與紡織品集成的靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器的聲學(xué)性能。(A) 器件照片和它在平放、彎曲、拉伸、扭曲等不同狀態(tài)下產(chǎn)生的 "可穿戴電子設(shè)備"聲波圖譜。(B) 連續(xù)折疊達(dá) 1000 次時(shí)，器件在 1、5 和 10 kHz 頻率下的聲壓級(jí)變化。(C) 器件在不同環(huán)境濕度下連續(xù) 30 天的輸出變化。(D)-(G) 靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器和手機(jī)發(fā)出的 "人機(jī)交互 "聲波和頻譜比較。


圖 4. 靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器的觸覺(jué)傳感性能。 (A) 輸出開(kāi)路電壓與壓力的關(guān)系。(B) 器件在 8.8 kPa 壓力下，對(duì)不同按壓頻率的輸出開(kāi)路電壓。(C) 不同彎曲角度下，器件的輸出開(kāi)路電壓。(D)-(F) 在 8.8 kPa 壓力和 2 Hz 頻率下，反復(fù)按壓 3,900 次后器件的穩(wěn)定性。(G) 器件在不同環(huán)境濕度下連續(xù) 14 天的穩(wěn)定性測(cè)試。


圖 5. 靜電型機(jī)電轉(zhuǎn)換器在盲文-語(yǔ)音轉(zhuǎn)譯中的應(yīng)用驗(yàn)證。(A) 器件陣列識(shí)別盲文字母。 (B) 器件陣列識(shí)別 40 個(gè)具有代表性的單詞。(C) 40 個(gè)單詞分類準(zhǔn)確率的散點(diǎn)圖。(D) 3 名新使用者準(zhǔn)確表達(dá)單詞所需的平均訓(xùn)練頻率與單詞中字母數(shù)量的關(guān)系。

  論文第一作者為澳門大學(xué)科技學(xué)院博士后研究員李肇陽(yáng)，論文通訊作者為澳門大學(xué)科技學(xué)院鐘俊文助理教授，上海交通大學(xué)彭爭(zhēng)春教授和上海大學(xué)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(zé)任編輯：xu）
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