ترجمه‌گر سکوت؛ تبدیل حرکات خاموش گلو به گفتار رسا با فناوری پوشیدنی

ایرنا/یک گروه از محققان بین‌المللی با ترکیب حسگرهای فوق‌حساس گرافنی و هوش مصنوعی پیشرفته، یک گلوپوش پوشیدنی و قابل شستشو ساخته‌اند که با ردیابی لرزش‌های عضلات گلو و ضربان شریان کاروتید، می‌تواند کلمات بیان نشده یا ناتوان بیماران سکته مغزی مبتلا به “دیزارتری” را تشخیص دهد و آن‌ها را به جملات کامل و روان با حفظ لحن احساسی تبدیل کند.

پژوهشگرانی از دانشگاه کمبریج، دانشگاه بِیهانگ، بیمارستان چانگ‌گانگ دانشگاه چینهوا و چند مرکز تحقیقاتی دیگر دستگاهی پوشیدنی، راحت و قابل شستشو به نام «ری‌وویس» (Revoice) توسعه داده‌اند که می‌تواند به افراد در بازپس‌گیری توانایی برقراری ارتباط طبیعی و روان پس از یک سکته مغزی کمک کند، بدون آنکه نیاز به ایمپلنت‌های تهاجمی مغزی وجود داشته باشد.

سیستم‌های پوشیدنی گفتار خاموش، پتانسیل قابل توجهی برای بازیابی ارتباط در بیماران مبتلا به اختلالات گفتاری دارند، اما تاکنون دستیابی به گفتار یکپارچه و پیوسته دور از دسترس بوده و اثرگذاری بالینی آن به‌طور قطعی اثبات نشده بود. سیستم ری‌وویس (که به «گلوی هوشمند» نیز معروف است)، حسگری ارتعاش عضلات گلو و نظارت بر نبض شریان کاروتید را با پردازش مدل زبانی بزرگ (LLM) ادغام می‌کند تا از ارتباطی روان و پُراحساس در زمان واقعی پشتیبانی کند. حسگرهای کششی پارچه‌ای فوق‌حساس که در یک دستبند نرم جاسازی شده‌اند، سیگنال‌های باکیفیت از ناحیه گردن را ثبت کرده و آن‌ها را به یک خط پردازش رمزگشایی در سطح توکن تغذیه می‌کنند که امکان بازسازی گفتار پیوسته و بدون تأخیر را فراهم می‌آورد.

در آزمایش‌های انجام‌شده روی پنج بیمار سکته مغزی مبتلا به دیزارتری (dysarthria)، این سیستم به نرخ خطای کم در سطح کلمه و جمله و افزایش محسوس رضایت کاربر دست یافت که نشان‌دهنده مسیری امیدبخش و غیر تهاجمی برای بازیابی ارتباطی طبیعی‌تر است.

قلب تپنده فناوری: حسگرهای کششی پارچه‌ای مبتنی بر گرافن

در هسته مرکزی ری‌وویس، یک حسگر کششی پارچه‌ای مبتنی بر گرافن قرار دارد که حرکات جزئی گردن و گلو را به سیگنال‌های الکتریکی قوی تبدیل می‌کند. این دستبند، دو کانال حسگری را در جلو و کنار گردن ادغام می‌کند تا هم فعالیت عضلات حنجره و هم ضربان شریان کاروتید را ردیابی کند و پوشش غنی از رویدادهای مکانیکی مرتبط با گفتار خاموش یا مختل‌شده را تضمین کند. یک لایه نازک گرافن مستقیماً بر روی یک زیرلایه پارچه‌ای کشسان چاپ می‌شود؛ هنگامی که این لایه تحت کشش قرار می‌گیرد، ترک‌های میکروسکوپی منظمی در امتداد خطوط تمرکز تنش پارچه ایجاد می‌کند. این ترک‌های کنترل‌شده، مقاومت الکتریکی شبکه گرافن را در پاسخ به تغییرشکل‌های بسیار کوچک تعدیل می‌کنند و به دستگاه اجازه می‌دهند لرزش‌های ظریف پوستی را که هنگام دهان‌کلامی کردن یا تلاش برای سخن گفتن کاربر ایجاد می‌شود، ثبت کند.

برای حفظ کیفیت سیگنال در شرایط عادی استفاده روزمره، هر ناحیه حسگری گرافنی توسط یک قاب عایق سفت با مدول یانگ بالاتر از پارچه اطراف محصور شده است. این طراحی مکانیکی، بیشتر کشش و خمش خارجی را به ساختار عایق محدود می‌کند، به طوری که تنها بخش بسیار کوچکی از کرنش ماکروسکوپی به ناحیه حسگری فعال منتقل می‌شود. در نتیجه، فصل مشترک داخلی گرافن-پارچه نرم، کشسان و در اتصال نزدیک با پوست باقی می‌ماند، در حالی که سیگنال الکتریکی عمدتاً عاری از آرتیفکت‌های ناشی از پوشیدن، درآوردن یا حرکت طبیعی سر است. آزمایش‌های مقایسه‌ای دستگاه‌های دارای این لایه عایق و فاقد آن نشان می‌دهد که این معماری عایق‌کاری، انتقال کرنش بین کانال‌ها را به‌طور محسوسی سرکوب و «تداخل سیگنال» (crosstalk) را کاهش می‌دهد که برای رمزگشایی قابل اطمینان حرکات خاص گلو حیاتی است.

خود حسگر گرافنی به گونه‌ای طراحی شده که بسیار ناهمسان‌گرد (anisotropic) باشد و عمدتاً به کرنش در امتداد محور متناظر با انبساط و انقباض گلو پاسخ دهد. تحت کشش تک‌محوری در محدوده فرکانسی مرتبط با فیزیولوژی بدن، اندازه‌گیر کشش مبتنی بر گرافن-پارچه، پاسخ خطی و تغییر مقاومت بزرگی را حتی برای کرنش‌هایی به کوچکی حدود ۰.۱ درصد نشان می‌دهد که با ضریب اندازه‌گیری (gauge factor) در مرتبه ۱۰۰ همراه است. این ترکیب از آستانه تشخیص پایین، تقویت قوی و انتخابی بودن جهت‌دار، به سامانه اجازه می‌دهد تا امضای مکانیکی ریز و سریع گفتار خاموش را تشخیص دهد که احتمالاً توسط حسگرهای کششی پارچه‌ای متعارف نادیده گرفته می‌شود.

از سیگنال تا جمله: نقش هوش مصنوعی در تکمیل گفتار

لایه گرافن با استفاده از یک جوهر قابل چاپ مشتق شده از گرافیت، اتیل سلولز و ایزوپروپیل الکل تولید می‌شود که از طریق هموژنیزاسیون فشار بالا و سانتریفیوژ بعدی برای حذف ذرات غیرورق‌شده فرآوری می‌شود. این فرآیند، یک پراکنش پایدار گرافن تولید می‌کند که برای چاپ سیلک‌اسکرین روی پارچه‌های کشسان در مقیاس انبوه مناسب است. پس از چاپ و ادغام در دستبند، حسگرهای حاصل نه‌تنها حساس، بلکه بادوام، مقاوم و قابل شستشو هستند و پس از چرخه‌های مکرر کشش و شستشو، عملکرد خود را حفظ می‌کنند. پایه پارچه‌ای، راحتی، تنفس‌پذیری و انطباق خوب با پوست را تضمین می‌کند که برای استفاده طولانی‌مدت بالینی یا خانگی توسط بیماران سکته مغزی و دیگر افراد مبتلا به اختلالات گفتاری عصبی ضروری است.

با اتصال این سکوی حسگری پیشرفته گرافن-پارچه به عاملان مدل زبانی بزرگ (LLM agents) تعبیه‌شده، ری‌وویس یک خط لوله کامل از مکانیک گلو تا خروجی زبان معنادار تشکیل می‌دهد. یک عامل هوش مصنوعی، کلمات را از سیگنال‌های جزئی و تکه‌تکه شده بازسازی می‌کند، در حالی که عامل دیگر از نشانه‌های احساسی و اطلاعات زمینه‌ای برای گسترش عبارات کوتاه و پرزحمت به جملات کامل و طبیعی‌تر که بهتر نشان‌دهنده قصد گوینده است، استفاده می‌کند. نتیجه، یک سامانه پوشیدنی و غیر تهاجمی است که می‌تواند چند کلمه دهان‌کلامی‌شده و سیگنال‌های فیزیولوژیکی را به گفتاری روان و دارای ظرافت احساسی تبدیل کند و مسیری واقع‌بینانه به سوی بازیابی استقلال، کرامت و مشارکت اجتماعی برای افراد مبتلا به دیزارتری و شرایط مرتبط ارائه دهد.

دیزارتری، تقریباً نیمی از بازماندگان سکته مغزی را تحت تأثیر قرار می‌دهد و اغلب افراد را در شرایطی رها می‌کند که دقیقاً می‌دانند چه می‌خواهند بگویند اما از نظر فیزیکی قادر به بیان واضح آن نیستند؛ وضعیتی که می‌تواند هم برای بیماران و هم خانواده‌های آن‌ها بسیار خسته‌کننده و عمیقاً ناامیدکننده باشد. در یک نمونه آزمایشی، عبارت دهان‌کلامی‌شده یک شرکت‌کننده با عنوان «ما برویم بیمارستان» به‌طور خودکار توسط ری‌وویس به این جمله گسترش یافت: «با وجود اینکه کمی دیر شده، من هنوز احساس ناخوشی می‌کنم. آیا می‌توانیم الآن به بیمارستان برویم؟». این سیستم از سیگنال‌های ضربان قلب و نشانه‌های زمینه‌ای مانند وقت روز برای استنتاج فوریت و حالت احساسی استفاده کرده بود. همان‌طور که لوئیجی اوکیپینتی، سرپرست پروژه تأکید کرده است، هدف بازگرداندن استقلال به افراد است، زیرا بازیابی ارتباط، امری بنیادین برای حفظ کرامت و پشتیبانی از بهبودی پس از سکته مغزی است.

این فناوری غیر تهاجمی، امید تازه‌ای برای بازیابی استقلال و ارتباط طبیعی این بیماران با جهان پیرامون ایجاد کرده است.