Innovative Tech

聞き取れない声を“通常の声”に変える「人工喉」　喉に貼り付ける薄い小型マイクスピーカー

　中国の清華大学、上海交通大学に所属する研究者らが発表した論文「Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat」は、微小な声もしくは発声障害などできちんと出せない声などを通常の音量の声に変換してくれる人工喉を提案した研究報告である。この人工喉は薄型で、喉に貼り付けて使用する。

　人工喉は、声を発したときの筋肉の動きと音声振動を取得し、認識した内容を音声合成に変換してスピーカーのように会話レベルの音量で再生する。実験では、小さな音量の声と、喉頭摘出術などで声を失った方の曖昧な発話（発話内容が聞き取れない声を含む）の検出を高精度に行えた。

　この研究では、音声知覚・発声を実現する、喉に貼り付ける薄い小型パッチのようなウェアラブル人工喉を提案する。喉付近の筋肉運動や音声振動を感知し、音声合成に変換することで微小な声でも普通の音量の声として出力する。

　人工喉は、厚さ25マイクロメートル、約1cm四方のパッチで設計されており、レーザースクライブグラフェン（LSG）をベースにした薄く柔軟なポリイミド基板で構成される。人工喉は喉仏の上の外側に医療用接着剤で貼り付けて使用する。パッチはマイクロコントローラーに有線でつながっておりポケットに収納されている。パッチは数時間駆動する。

　この人工喉は、動きによって身体表面がゆがんでも皮膚表面に伝わる筋肉の動きや音声振動を感知し、人間の音声の低い基本周波数を検出する。実験において、4％以下のわずかなゆがみをセンシングすることができた。人工喉は皮膚に密着しているため、周囲の雑音が音声認識の妨げになるのが少ないのも利点だ。

　人工喉で収集した生体信号から、熱音響効果によって音声合成に変換し音を発する。通常のスピーカーとは異なり、振動を伴わずに表面の空気を加熱・冷却してその中に波を発生させる熱音響効果によって音を発する。

　有効性を評価するため実験したところ、人工喉は平均99.05％の精度で正しい言葉を検出でき、音声を構成する基本音素や音調、単語を識別して音声認識タスクを実行できることを実証した。また喉頭摘出術を受けた人が使用した場合にも、90％以上の精度で発声を検出することができた。

　音源としては、安全な5Vの電圧で60dB程度（日常会話に近い）、周波数100～20kHzの音を発生でき、音声関連の障害者のコミュニケーション能力回復を支援する有効なツールとして活用できる可能性を示唆した。

　今回は無声発話（口パク）の実証実験はしていないが、論文著者に聞いたところ、低周波の運動信号を検出する機能を有しているため、検出できる可能性を持っているだろうという。

Source and Image Credits: Yang, Q., Jin, W., Zhang, Q. et al. Mixed-modality speech recognition and interaction using a wearable artificial throat. Nat Mach Intell 5, 169-180（2023）. https://doi.org/10.1038/s42256-023-00616-6

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2019年にスタートした本連載「Innovative Tech」は、世界中の幅広い分野から最先端の研究論文を独自視点で厳選、解説している。執筆は研究論文メディア「Seamless」（シームレス）を主宰し、日課として数多くの論文に目を通す山下氏が担当。イラストや漫画は、同メディア所属のアーティスト・おね氏が手掛けている。

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