Con người có thể nói mà không cần dây thanh nhờ vào thiết bị AI

Những người bị rối loạn giọng nói, bao gồm cả những người mắc bệnh lý về dây thanh hoặc đang hồi phục sau phẫu thuật ung thư thanh quản, thường có thể cảm thấy khó khăn khi nói hoặc không thể nói được. Giờ đây, một thiết bị mới mềm, mỏng, co giãn có kích thước chỉ hơn 1 inch vuông, được gắn vào vùng da bên ngoài cổ họng, sẽ giúp những người bị rối loạn chức năng dây thanh phục hồi khả năng nói. Đây là sản phẩm do nhóm kỹ sư tại Đại học California tại Los Angeles (UCLA) phát minh.

Hệ thống điện sinh học mới phát hiện chuyển động trong cơ thanh quản của một người và chuyển những tín hiệu đó thành giọng nói có thể nghe được với sự hỗ trợ của công nghệ máy học với độ chính xác gần 95%.

Thiết bị mới gồm có hai thành phần. Một là thành phần cảm biến tự cấp năng lượng, sẽ phát hiện và chuyển đổi tín hiệu được tạo ra bởi chuyển động của cơ thành tín hiệu điện với độ chính xác cao, có thể phân tích được. Các tín hiệu điện này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu giọng nói bằng thuật toán học máy. Hai là thành phần truyền động, biến đổi các tín hiệu lời nói đó thành biểu hiệu giọng nói như mong đợi.

Hai thành phần này, mỗi thành phần chứa hai lớp, gồm có một lớp hợp chất silicone polydimethylsiloxane hay PDMS, có đặc tính đàn hồi và một lớp cảm ứng từ làm bằng cuộn cảm ứng bằng đồng. Kẹp giữa hai thành phần là lớp thứ năm chứa PDMS trộn với nam châm siêu nhỏ, tạo ra từ trường.

Thông qua sử dụng cơ chế cảm biến từ đàn hồi mềm do chính nhóm nghiên cứu phát triển vào năm 2021, thiết bị này có khả năng phát hiện những thay đổi trong từ trường khi nó bị thay đổi do tác động của lực cơ học, trong trường hợp này là chuyển động của cơ thanh quản. Các cuộn dây cảm ứng ngoằn ngoèo được gắn trong các lớp đàn hồi từ tính, tạo ra các tín hiệu điện có độ chính xác cao cho mục đích cảm biến.

Với kích thước mỗi cạnh 1,2 inch, thiết bị nặng khoảng 7 gram và chỉ dày 0,06 inch. Do băng tương thích sinh học hai mặt, nên nó có thể dễ dàng bám vào cổ họng của một người gần vị trí của dây thanh âm và được tái sử dụng bằng cách dán lại băng khi cần.

Rối loạn giọng nói phổ biến ở mọi lứa tuổi. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng gần 30% dân số sẽ trải qua ít nhất một chứng rối loạn như vậy trong cuộc đời. Tuy nhiên, với các phương pháp trị liệu, chẳng hạn như can thiệp bằng phẫu thuật và trị liệu bằng giọng nói, quá trình phục hồi giọng nói có thể kéo dài từ ba tháng đến một năm, với một số kỹ thuật xâm lấn đòi hỏi phải có một khoảng thời gian dài nghỉ ngơi sau phẫu thuật.

Cách máy học hỗ trợ công nghệ đeo trên người

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm công nghệ trên 8 người trưởng thành khỏe mạnh. Họ đã thu thập dữ liệu về chuyển động của cơ thanh quản và sử dụng thuật toán học máy để so sánh các tín hiệu thu được với một số từ nhất định. Sau đó, họ chọn tín hiệu giọng nói đầu ra tương ứng thông qua thành phần truyền động của thiết bị.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh tính chính xác của hệ thống bằng cách yêu cầu những người tham gia phát âm năm câu, cả nói to và nói không thành tiếng, bao gồm "Chào Rachel, bạn có khỏe không? và tôi yêu bạn!".

Mô hình đã đạt độ chính xác trong dự đoán tổng thể là 94,68%, với tín hiệu giọng nói của người tham gia được khuếch đại bởi thành phần truyền động, chứng tỏ cơ chế cảm biến đã nhận ra tín hiệu chuyển động thanh quản và khớp với câu tương ứng mà người tham gia muốn nói.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục mở rộng vốn từ vựng của thiết bị thông qua máy học và thử nghiệm với những người bị rối loạn ngôn ngữ.