受蜘蛛织网启发的石墨烯人工喉，用于人机交互和机器人听觉等

摘要：声音作为自然界最普遍、最有效的互动方式之一，面临着一个矛盾的挑战：它极易受到环境噪声的干扰，同时又能扰乱安静的环境。这种对立强调了对自适应声学技术的迫切需要。本文，清华大学杨轶副教授、陶璐琪副研究员、任天令教授团队在《Chemical Engineerin

1成果简介

声音作为自然界最普遍、最有效的互动方式之一，面临着一个矛盾的挑战：它极易受到环境噪声的干扰，同时又能扰乱安静的环境。这种对立强调了对自适应声学技术的迫切需要。本文，清华大学杨轶副教授、陶璐琪副研究员、任天令教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Spider silk-inspired environmentally adaptive intelligent graphene artificial throat”的论文，研究受蜘蛛网启发的石墨烯人工喉（GAT）系统，它能够根据环境声学条件动态调整灵敏度。石墨烯人工喉利用机械应变调制在高灵敏度和低灵敏度模式下工作，在安静的环境中能清晰识别语音，在嘈杂的环境中能有效过滤噪音。

经计算，该设备的动态范围 (DR) 为 8.12 dB，即设备的灵敏度范围。这一范围可确保设备在不同的环境条件下都能适应并有效工作。在 80 分贝的白噪声下，GAT 的语音识别准确率达到 91.07%。此外，我们还将 GAT 集成到机器人的双耳听觉系统中，使用应变可调 GAT 进行信号分辨，实现了精确的声音定位，准确率高达 99.42%。所提出的 GAT 为人类交流和机器人听觉感知提供了一个多功能解决方案，在广泛的现实世界应用中具有强大的性能。

2图文导读

图1. Schematic and structure of the GAT device. (a) Adaptive auditory mechanism inspired by orb-weaving spiders (family Araneidae), which use their webs as “external eardrums” to filter noise and amplify relevant signals. Low-tension webs filter out low-frequency noise (e.g., wind), while high-tension webs amplify biologically significant vibrations from prey struggles, enhancing the spider's auditory perception. Right: amplification of the signal via a stretched graphene artificial throat (GAT), illustrating signal enhancement from input to output. (b) Schematic of the GAT structure, composed of a laser-induced graphene (LIG) layer, polyimide (PI) substrate, and a patterned vibration wing that enhances sensitivity to mechanical strain. (c) Simulation results demonstrate a uniform strain distribution across the GAT structure, which maintains stable conductive pathways under strain. (d) Microscopic images of the GAT show a porous, honeycomb-like structure, where strain-induced deformation alters conductive pathways, enhancing piezoresistive sensitivity. (e) Raman spectra of the GAT under varying strain levels (0%, 0.8%, 1.6%) show an increase in the D/G peak ratio with strain, indicating a rise in defect density and strain response within the material.

图2.GAT 的应变响应和稳定性。

图3.语音辨别和喉咙运动检测。

图4.GAT 系统在安静和嘈杂环境中的性能。

图5.自适应系统架构和性能评估。

图6.机器人听觉感知和方向识别系统。

3小结

在这项研究中，我们开发了一种通过应变调制实现自适应灵敏度的 GAT。受织网蜘蛛听觉传感机制的启发，GAT装置利用类似的原理来提高其性能。该装置设计独特，采用带有振动翼的中空结构，通过允许更大的结构变形自由度，大大提高了压阻灵敏度。这增强了 GAT 在复杂环境中探测微弱声学信号的能力。

研究结果表明，GAT 能有效地检测语音声音，并能适应安静和嘈杂的环境，在80dB 的白噪声下，其动态范围达到 8.12 dB，语音识别准确率达到 91.07 %。此外，GAT 还被集成到机器人应用的双耳听觉系统中，利用 WD 机制处理 GAT 之间的差分信号。该系统实现了精确的声音定位，准确率达到 99.42%，突出显示了 GAT 在现实世界场景中精确定位声源的能力。

这项研究为开发自适应语音识别和听觉定位技术提供了一个新平台。通过模仿织眶蜘蛛等生物的生物听觉系统，GAT 为真实世界应用中的动态灵敏度调整提供了一种前景广阔的方法。虽然这项工作证明了 GAT 系统在受控条件下的潜力，但其在更复杂的真实世界环境因素（如汗液和温度变化）下的稳定性还需要进一步验证[52]。尽管如此，这项研究为人机交互、可穿戴传感器和机器人听觉系统的创新开辟了新的可能性，使GAT成为一种应用广泛的有前途的解决方案。

文献：