顧臻(zhen)/王(wang)金強(qiang)，最(zui)新(xin)Nature Biomedical Engineering！

人(ren)類(lei)的(de)聲音在(zai)交(jiao)流(liu)中(zhong)扮演著(zhe)獨特而寶(bao)貴的(de)角(jiao)色(se)，特(te)別是在不斷(duan)發(fa)展(zhan)的(de)人(ren)機(ji)交(jiao)互領(ling)域(yu)。隨(sui)著(zhe)自動(dong)語音(yin)識(shi)別技術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，諸(zhu)如(ru)蘋(ping)果(guo)Siri、谷(gu)歌助手和(he)亞馬(ma)遜(xun)Alexa等智能(neng)語(yu)音(yin)助(zhu)手已經廣(guang)泛應(ying)用(yong)於智(zhi)能(neng)家(jia)居自動(dong)化、智(zhi)能(neng)醫(yi)療(liao)保(bao)健和(he)高效商(shang)業運營等多個(ge)領(ling)域(yu)。然(ran)而，現有(you)的(de)語音(yin)識(shi)別技術(shu)高(gao)度(du)依賴(lai)於(yu)硬件(jian)和(he)軟(ruan)件(jian)組(zu)件(jian)，包括(kuo)聲音采(cai)集設(she)備(bei)（如(ru)麥克(ke)風）、信號處理(li)器和(he)機(ji)器學習算法(fa)，通過(guo)分析聲學信號特征(zheng)來(lai)檢測和(he)解釋(shi)特定(ding)的(de)聲音模(mo)式(shi)。在(zai)緊急情(qing)況(kuang)下(xia)，如電(dian)力或(huo)計(ji)算算(suan)法(fa)故障(zhang)時，需要(yao)壹(yi)種(zhong)不依賴(lai)額外電力或(huo)計(ji)算資(zi)源的(de)簡單(dan)可(ke)靠(kao)的(de)聲音解(jie)碼(ma)設(she)備(bei)。

與(yu)電子(zi)設備(bei)不同(tong)，人(ren)類(lei)聽覺(jiao)系統(tong)通(tong)過壹(yi)種(zhong)不同(tong)的(de)機(ji)制(zhi)來(lai)感知(zhi)聲音和(he)語音。20-20,000赫(he)茲(zi)範(fan)圍內的(de)聲音會(hui)引(yin)起(qi)空(kong)氣(qi)振動(dong)，從(cong)而在(zai)人(ren)類(lei)耳(er)蝸(wo)的(de)基底(di)膜(mo)和(he)毛細胞中引起(qi)機(ji)械共(gong)振(zhen)。毛細胞通過其(qi)高度(du)特化(hua)的(de)纖毛結(jie)構——毛(mao)束的(de)位移(yi)，將機(ji)械聲音振(zhen)動(dong)轉化(hua)為(wei)神經(jing)興(xing)奮。在(zai)每個(ge)哺(bu)乳(ru)動(dong)物毛(mao)細胞的(de)頂端(duan)，20-300根(gen)纖毛按高度(du)遞(di)增(zeng)的(de)三(san)行排列(lie)，這對(dui)於聲音感知(zhi)至(zhi)關重要。因(yin)此，設(she)計(ji)壹(yi)種(zhong)模仿毛細胞自然(ran)纖毛結(jie)構和(he)功能(neng)的(de)人(ren)工仿(fang)生(sheng)裝置，可(ke)能(neng)解(jie)決現有(you)電子(zi)和(he)軟(ruan)件(jian)驅動(dong)語音(yin)識(shi)別技術(shu)的(de)局(ju)限(xian)性。

近日(ri)，浙(zhe)江(jiang)大(da)學顧臻(zhen)、王(wang)金強(qiang)等人(ren)成(cheng)功構(gou)建了(le)壹(yi)種(zhong)3D打(da)印的(de)微米(mi)級(ji)人(ren)工纖毛陣列(lie)，其長(chang)度與(yu)直徑(jing)比(bi)（L/D）可(ke)變(bian)，能(neng)夠(gou)感知(zhi)並解(jie)碼(ma)100-6000赫(he)茲(zi)的(de)聲音頻(pin)率(lv)信號，包括(kuo)鋼(gang)琴(qin)音(yin)樂和(he)人(ren)聲。此外，該(gai)裝置還能(neng)在(zai)水(shui)中振(zhen)動(dong)，以(yi)聲頻率(lv)響(xiang)應(ying)的(de)方式(shi)控制(zhi)兩種(zhong)藥物(wu)（胰(yi)島素和(he)胰(yi)高血糖素）的(de)釋(shi)放，用(yong)於(yu)治療1型(xing)糖尿(niao)病(bing)小鼠。

圖(tu)1. 耳(er)蝸(wo)毛細胞啟發(fa)的(de)人(ren)工纖毛陣列(lie)及其(qi)應用示(shi)意(yi)圖(tu)。

研(yan)究(jiu)人(ren)員首先(xian)研(yan)究(jiu)了(le)新(xin)生(sheng)大(da)鼠(shu)耳(er)蝸(wo)毛細胞的(de)結(jie)構，模(mo)仿其纖毛結(jie)構制(zhi)備(bei)了(le)人(ren)工纖毛陣列(lie)。通過(guo)摩(mo)方精密面(mian)投影(ying)微立(li)體(ti)光(guang)刻（PμSL）技術(shu)（nanoArch® S130，精度：2μm），制(zhi)造出直徑(jing)100微米(mi)、L/D比(bi)30-100的(de)人(ren)工纖毛。實(shi)驗中，人(ren)工纖毛在600赫(he)茲聲刺(ci)激(ji)下(xia)產(chan)生(sheng)振(zhen)動(dong)，其運動(dong)軌跡(ji)與(yu)聲信號函數(shu)曲(qu)線壹(yi)致。經(jing)過(guo)超過(guo)800萬次(ci)振動(dong)循(xun)環(huan)後，纖毛陣列(lie)依然(ran)保(bao)持完整(zheng)，展現出良(liang)好的(de)機(ji)械強(qiang)度(du)。通過(guo)光(guang)學顯(xian)微(wei)鏡和(he)高速相(xiang)機(ji)測量其(qi)在(zai)不同(tong)頻率聲刺(ci)激(ji)下(xia)的(de)振動(dong)幅(fu)度(du)，發(fa)現L/D比(bi)為(wei)30的(de)人(ren)工纖毛在2400赫(he)茲附近達到(dao)最大(da)位(wei)移(yi)。

圖(tu)2. 人(ren)工纖毛陣列(lie)的(de)制(zhi)備(bei)與(yu)特性(xing)。

研(yan)究(jiu)人(ren)員設計(ji)了(le)具有不同(tong)共(gong)振(zhen)頻率的(de)人(ren)工纖毛，並將(jiang)其集成(cheng)在單(dan)個基底上(shang)進(jin)行(xing)聲音解(jie)碼(ma)。實(shi)驗中，人(ren)工纖毛能(neng)夠(gou)響(xiang)應(ying)不同(tong)頻率的(de)聲音信號，如鋼(gang)琴(qin)曲《小星星》和(he)男女聲音頻(pin)信號。當播放特定(ding)音樂或(huo)語(yu)音時(shi)，相(xiang)應頻率的(de)人(ren)工纖毛振動(dong)，其振(zhen)動(dong)模式(shi)與(yu)音樂或(huo)語(yu)音信號的(de)頻率(lv)變(bian)化壹(yi)致，從(cong)而實(shi)現了(le)無(wu)需電(dian)子(zi)設(she)備(bei)和(he)復雜(za)算(suan)法(fa)的(de)聲音頻(pin)率(lv)解(jie)碼(ma)。

圖(tu)3. 人(ren)工纖毛陣列(lie)的(de)聲音解(jie)碼(ma)。

在(zai)水(shui)環境(jing)中(zhong)，人(ren)工纖毛陣列(lie)的(de)共(gong)振(zhen)特性進(jin)壹(yi)步(bu)被研(yan)究(jiu)。由於聲信號從(cong)空(kong)氣(qi)到(dao)液體的(de)傳(chuan)輸(shu)能(neng)量損(sun)失(shi)較(jiao)大(da)，研(yan)究(jiu)中使(shi)用(yong)了(le)壓(ya)電(dian)換能(neng)器（PZT）作為(wei)聲激勵(li)源(yuan)。通(tong)過(guo)COMSOL軟(ruan)件(jian)模(mo)擬(ni)，發(fa)現人(ren)工纖毛在共(gong)振(zhen)頻率下(xia)會在(zai)其尖部附近產(chan)生(sheng)渦(wo)流(liu)，最(zui)大(da)流(liu)速(su)為(wei)0.00241米(mi)/秒(miao)。實(shi)驗中，測量了(le)不同(tong)L/D比(bi)的(de)人(ren)工纖毛在水(shui)中的(de)共(gong)振(zhen)頻率和(he)振動(dong)幅(fu)度(du)，發(fa)現其(qi)共(gong)振(zhen)頻率略低(di)於在空(kong)氣(qi)中的(de)頻率(lv)，振動(dong)幅(fu)度(du)也因(yin)水(shui)的(de)阻力而減(jian)小。通過粒(li)子圖(tu)像(xiang)測速（PIV）實(shi)驗，發(fa)現在(zai)共(gong)振(zhen)頻率下(xia)，人(ren)工纖毛尖部1毫米(mi)處(chu)的(de)流體(ti)速度(du)顯(xian)著(zhu)高(gao)於其(qi)他(ta)頻(pin)率(lv)。

圖(tu)4. 人(ren)工纖毛陣列(lie)在水(shui)中的(de)流體(ti)力學。

研(yan)究(jiu)還探(tan)索(suo)了(le)人(ren)工纖毛陣列(lie)在藥物(wu)釋(shi)放方面(mian)的(de)應用(yong)。實(shi)驗中，將(jiang)胰(yi)島素和(he)胰(yi)高血糖素作為(wei)模(mo)型藥物(wu)，包載在GelMA水(shui)凝膠(jiao)中並塗覆(fu)在(zai)人(ren)工纖毛表(biao)面。在PZT產(chan)生(sheng)的(de)聲刺(ci)激(ji)下(xia)，包載胰(yi)島素的(de)人(ren)工纖毛在1小(xiao)時內釋(shi)放的(de)胰(yi)島素量顯(xian)著(zhu)高(gao)於未(wei)刺(ci)激(ji)組(zu)。進(jin)壹(yi)步(bu)的(de)實(shi)驗表(biao)明(ming)，經過120秒紫(zi)外線交(jiao)聯(lian)的(de)GelMA-90水(shui)凝膠(jiao)在聲刺(ci)激(ji)下(xia)能(neng)釋(shi)放最(zui)多(duo)的(de)胰(yi)島素。在體(ti)外實(shi)驗中，經(jing)過6小(xiao)時(shi)的(de)聲刺(ci)激(ji)，胰(yi)島素和(he)胰(yi)高血糖素的(de)釋(shi)放量均(jun)顯(xian)著(zhu)高(gao)於未(wei)刺(ci)激(ji)組(zu)。此外，人(ren)工纖毛還展(zhan)現出脈沖釋(shi)放藥物(wu)的(de)特性(xing)。

圖(tu)5. 聲頻率(lv)響(xiang)應(ying)的(de)藥物(wu)釋(shi)放。

本(ben)研(yan)究(jiu)開發(fa)的(de)仿生(sheng)人(ren)工纖毛陣列(lie)裝置，不僅(jin)能(neng)夠(gou)無(wu)需電(dian)力和(he)算法(fa)直接解碼(ma)聲音頻(pin)率(lv)，還能(neng)在(zai)水(shui)中響(xiang)應(ying)聲刺(ci)激(ji)，加速流體(ti)流(liu)動(dong)並控制(zhi)藥物(wu)釋(shi)放。這(zhe)壹(yi)裝置在(zai)聲音控制(zhi)的(de)智能(neng)設(she)備(bei)、個(ge)性化語音(yin)交(jiao)互以(yi)及(ji)醫(yi)療(liao)健康(kang)等領(ling)域(yu)具有廣(guang)闊(kuo)的(de)應用(yong)前(qian)景(jing)。未(wei)來(lai)，人(ren)工纖毛陣列(lie)有望進(jin)壹(yi)步(bu)優(you)化(hua)，以(yi)覆(fu)蓋更(geng)廣(guang)泛的(de)頻率(lv)範圍，精確解(jie)碼(ma)更(geng)復(fu)雜(za)的(de)聲音信號，如語(yu)音(yin)特征，從(cong)而實(shi)現個(ge)性化(hua)任務。此外，該(gai)裝置還可(ke)用(yong)於檢測和(he)識(shi)別各種(zhong)人(ren)體生(sheng)理(li)聲音，如(ru)呼吸模(mo)式、打(da)鼾、心(xin)跳和(he)腸道(dao)活動(dong)等，為(wei)疾(ji)病(bing)監測和(he)治療提(ti)供(gong)新(xin)的(de)手段。