Ερευνητές ανέπτυξαν αυτοτροφοδοτούμενο επίθεμα που μεταφράζει τις μυϊκές κινήσεις σε ομιλία

Ένα νέο επίθεμα που προσκολλάται στο λαιμό μπορεί να μεταφράσει τις μυϊκές κινήσεις σε ομιλία, επιτρέποντας στους ανθρώπους να μιλούν χωρίς να χρησιμοποιούν τις φωνητικές τους χορδές. Σύμφωνα με τους ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας, το επίθεμα όχι μόνο ανιχνεύει τις κινήσεις του λαιμού που σχετίζονται με την ομιλία, αλλά αξιοποιεί αυτή την κίνηση για να παράγει ηλεκτρισμό, πράγμα που σημαίνει ότι η συσκευή μπορεί να λειτουργήσει χωρίς μπαταρία.

Το επίθεμα θα μπορούσε θεωρητικά να βοηθήσει άτομα με φωνητικές διαταραχές να επικοινωνήσουν, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που αναρρώνουν από χειρουργική επέμβαση του καρκίνου του λαιμού.

Ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης Τζουν Τσεν, επίκουρος καθηγητής βιομηχανικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, στο Λος Άντζελες, εμπνεύστηκε την ιδέα για το επίθεμα αφού είχε περάσει αρκετές ώρες δίνοντας διαλέξεις και ένιωσε τη φωνή του να κουράζεται. Έτσι, ο Τσεν και οι συνάδελφοί του σχεδίασαν ένα μαλακό επίθεμα για τους ανθρώπους που δεν μπορούν να μιλήσουν ή που αναρρώνουν από μια παροδική φωνητική διαταραχή. Ο σχεδιασμός του επιθέματος βασίζεται σε μελέτη που δημοσιεύτηκε το 2021 στο περιοδικό «Nature Materials», καθώς και σε προηγούμενες έρευνες για υλικά.

Από τα μέσα του 19ου αιώνα, οι επιστήμονες γνώριζαν ότι οι μαγνητικές ιδιότητες ορισμένων άκαμπτων μετάλλων μπορούν να αλλάξουν όταν τεθούν υπό μηχανική καταπόνηση. Ένα παράδειγμα αυτού είναι ένα κράμα σιδήρου και γαλλίου, που ονομάζεται Galfenol, του οποίου η μαγνητική κατάσταση αλλάζει όταν υποβάλλεται σε πίεση. Στη μελέτη του 2021, ο Τσεν και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι η ίδια ιδέα θα μπορούσε να λειτουργήσει με ένα μαλακό υλικό κατασκευασμένο από μικροσκοπικούς μαγνήτες ενσωματωμένους σε λεπτό πυρίτιο.

Στην τελευταία τους μελέτη, η ομάδα αξιοποίησε αυτό το υλικό σε ένα επίθεμα που ανταποκρίνεται στην ανεπαίσθητη πίεση που ασκείται σε αυτό από την κίνηση των μυών του λαιμού. Όταν ένα άτομο εκτελεί τις κινήσεις που χρειάζονται για να μιλήσει, το υλικό ανταποκρίνεται παράγοντας ηλεκτρικά σήματα που μπορούν να μεταφραστούν σε ομιλία. Για να το κάνει αυτό, το επίθεμα είναι κατασκευασμένο από πέντε πολύ λεπτά στρώματα. Τα εξωτερικά στρώματα του επιθέματος είναι κατασκευασμένα από μαλακό, εύκαμπτο υλικό πυριτίου, ενώ το μεσαίο στρώμα, κατασκευασμένο από πυρίτιο και μικρομαγνήτες, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο που ποικίλλει ανάλογα με την κίνηση των μυών του λαιμού. Τα δύο στρώματα που το περιβάλλουν, κατασκευασμένα από πηνία χάλκινου σύρματος, μεταφράζουν αυτές τις αλλαγές του μαγνητικού πεδίου σε ηλεκτρικά σήματα.

Αυτά τα ηλεκτρικά σήματα στη συνέχεια τροφοδοτούνται σε έναν αλγόριθμο μηχανικής μάθησης που μεταφράζει τους παλμούς σε ομιλία. Για να εκπαιδεύσει τον αλγόριθμο, κάθε συμμετέχων στη μελέτη επανέλαβε 5 σύντομες φράσεις 100 φορές, ενώ το πρόγραμμα παρακολουθούσε τις κινήσεις του λαιμού τους. Έτσι, το σύστημα έμαθε να συσχετίζει συγκεκριμένες κινήσεις με μια δεδομένη φράση.

Σε μια επίδειξη της τεχνολογίας στην οποία συμμετείχαν οκτώ άτομα χωρίς προβλήματα ομιλίας, ο αλγόριθμος ήταν περίπου 95% ακριβής στη μετάφραση των ηλεκτρικών σημάτων σε ομιλία. Αυτές οι δοκιμές έγιναν χρησιμοποιώντας τις ίδιες σύντομες φράσεις και προτάσεις στις οποίες εκπαιδεύτηκε ο αλγόριθμος. Τα ευρήματα των πειραμάτων έδειξαν ότι ο αλγόριθμος μπορεί να μεταφράσει αξιόπιστα τις κινήσεις των μυών στις σωστές κυματομορφές.

Αν και αυτά τα αποτελέσματα είναι πολλά υποσχόμενα, το επίθεμα βρίσκεται ακόμα στα αρχικά στάδια ανάπτυξης. Οι δοκιμές του περιορίστηκαν μόνο στα οκτώ άτομα και δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί σε άτομα με διαταραχές ομιλίας.

Τα ευρήματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό «Nature Communications».

ΠΗΓΗ: Live Science