是什么讓這位 90 后清華學(xué)霸，放棄華為工程師的高薪工作，轉(zhuǎn)而來到高校做老師？

雖然大廠高薪有時不免和 996 掛鉤，但在每年動輒上千萬畢業(yè)生就業(yè)壓力之下，能進大廠的注定是 “少數(shù)派”。可陶璐琪偏不，他渴望的 “少數(shù)派” 是做科研，也正是在華為的經(jīng)歷，堅定了他做學(xué)術(shù)的決心。

圖 | 陶璐琪（來源：受訪者）

在華為時他主要做麥克風和聽筒等手機音頻器件，假如一款手機因為聽筒收到 2%-3% 的投訴，華為會讓供應(yīng)商送來一批聽筒，陶璐琪要做的是，通過 X 射線解剖這些耳機，并用顯微鏡找出問題。工作并非沒有價值，但卻讓他覺得略顯機械化。

當時，重慶大學(xué)電氣學(xué)院新成立了協(xié)同創(chuàng)新中心，他師兄是里面的執(zhí)行主任，并且當時重慶大學(xué)也有一個 “百人計劃”，最終陶璐琪從深圳轉(zhuǎn)到西南，借此機會申請到重慶大學(xué)特聘研究員的崗位。

華為的待遇雖然比目前在高校的待遇更優(yōu)厚，但他還是更喜歡做探索性研究。自由的科研空間，是重慶大學(xué)對他的 “致命” 吸引力。

圖 | 正在做實驗的陶璐琪（來源：受訪者）

“狗說的你能聽懂么？”

事實上，做科研的滿足感要從陶璐琪在清華讀直博說起。

有一次，他給師弟師妹介紹小組代表性工作，提到了他的師兄田禾研發(fā)的石墨烯狗耳機，他說這款耳機能把人類指令傳遞給小狗，小狗聽到指令后能做出站起或坐下的動作。

這時，一位師弟問他：“那狗說的你能聽懂么？”

這個問題讓他陷入了思考，不管談話對象是動物還是人類，只要 TA 用的語言不是自己的母語，我們就根本聽不懂。

同樣，聾啞人雖然也能發(fā)出“嗯嗯啊啊”的聲音，但畢竟不是一種可以被解析的“語言”，那么能否做一個翻譯器，去翻譯聾啞人發(fā)出的聲音呢？

而石墨烯人工喉的想法，也正始于這次意外談話之中，后來人工喉也成為他在清華期間的代表作。

當時在清華大學(xué)微電子所教授任天令的帶領(lǐng)下，陶璐琪擔任一作的論文《具有聲音感知能力的智能石墨烯人工喉》（An Intelligent Artificial Throat with Sound-Sensing Ability Based on Laser Induced Graphene）發(fā)表在《自然 – 通訊》上，這也是他在清華讀書期間發(fā)表的 11 篇一作論文中最出色的論文之一。

圖 | 相關(guān)論文（來源：受訪者）

在用激光制備石墨烯的過程中，他們發(fā)現(xiàn)石墨烯具備良好的聲學(xué)性能，給其加上信號后，它就能像揚聲器一樣發(fā)出聲音。

比如，把一首歌的信號轉(zhuǎn)成電信號，施加給石墨烯之后它就能播放音樂。后來在調(diào)節(jié)石墨烯的制備厚度時發(fā)現(xiàn)，當厚度特別薄的時候，隨便有點風吹草動，石墨烯的電學(xué)信號就會受到影響，這看起來這是一種干擾，但通過給石墨烯施加不同的力，會產(chǎn)生有規(guī)律的電學(xué)信號。

圖 | 人工喉示意圖（來源：受訪者）

當把很薄的石墨烯薄膜放在喉嚨上，薄膜就能檢測喉嚨處微弱的震動，且能把這種震動對應(yīng)成各種聲音。基于這一特性，他們提出了石墨烯人工喉概念，并成功制備出相關(guān)實驗室產(chǎn)品。

關(guān)于其中原理，他最近對媒體表示：“聾啞人士雖然不能說話，但是喉嚨可以震動，把這個（石墨烯材質(zhì)的黑色薄片）放在喉嚨外部，我們可以檢測喉嚨的震動。震動檢測出來以后，第二步就是識別不同的震動，再把它轉(zhuǎn)換成一種聾啞人士的‘語言編碼’。”

聾啞人的 “嗯啊” 聲可轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)律性聲音

制備中，他們選擇了一個低成本的便攜式激光平臺，并采取激光直接書寫技術(shù)。其中，把 PI（Polyimide Film，聚酰亞胺薄膜）膜位于 450nm 的激光器下，通過激光器的直射轉(zhuǎn)換成激光誘導(dǎo)的石墨烯。

比如，把清華大學(xué)的標志和一個 6 厘米 x4 厘米的矩形輸入到計算機控制軟件中，就可在 PI 膜上產(chǎn)生相同的圖案?；诖?，陶璐琪用一個簡單矩形激光誘導(dǎo)的石墨烯作為人工喉。

圖 | 人工喉制備（來源：受訪者）

聲音收發(fā)一體化，是石墨烯人工喉的最大特點，它不僅能接收聲音，還能發(fā)射聲音。人工喉主要包含發(fā)聲器件和收聲器件，收聲時利用石墨烯的壓阻效應(yīng)，發(fā)聲則基于石墨烯的熱聲效應(yīng)，如此便實現(xiàn)了單器件的聲音收發(fā)同體。

具體來說，當利用信號發(fā)生器在石墨烯上施加交流電壓時，周期性的焦耳熱會導(dǎo)致空氣膨脹，從而產(chǎn)生聲波；當對石墨烯施加低的恒壓直流偏置時，喉繩的振動會導(dǎo)致石墨烯電阻發(fā)生變化，進而產(chǎn)生電流的波動。因此，人工喉可以同時作為聲源和探測器來工作。

此外，人工喉內(nèi)部擁有對壓力非常敏感的多孔結(jié)構(gòu)，因此能感知喉嚨發(fā)聲時的微弱振動，聾啞人發(fā)出的特殊聲音也因此可被識別。它能發(fā)出 100Hz-40kHz 的寬頻譜聲音，可將聾啞人的聲音轉(zhuǎn)換為強度可控的規(guī)律性聲音，進而讓聾啞人 “開口說話”。

具體來講，當人工喉在檢測喉嚨震動的時候，它會聽到聾啞人喉嚨處發(fā)出的 “嗯嗯啊啊” 的聲音，通過將這些聲音和預(yù)先錄制好的語言庫建立一一映射關(guān)系，就可以將聾啞人喉嚨的無規(guī)則振動、轉(zhuǎn)變成預(yù)先錄制的語言，比如 “今天天氣不錯” 等等。

圖 | 對揚聲器對不同聲音的響應(yīng)（來源：受訪者）

與傳統(tǒng)的聲學(xué)換能器相比，人工喉的工作機理主要是利用熱聲效應(yīng)和壓阻效應(yīng)。當作為聲源工作時，人工喉可以產(chǎn)生頻率從 100Hz 到 40kHz 的寬帶聲音；當作為聲音檢測器工作時，人工喉可對不同類型的聲音和喉部振動模式表現(xiàn)出獨特的響應(yīng)，它還能識別咳嗽、哼哼和尖叫等其他動作導(dǎo)致的微弱喉嚨振動。

這是因為，咳嗽、哼聲或尖叫會引起喉帶的振動，這些聲音被人工喉檢測到以后，也會相應(yīng)地產(chǎn)生可控的聲音。因此，人工喉可實現(xiàn)從無意義的聲音、到可控的和預(yù)先設(shè)計的聲音的轉(zhuǎn)換。

大多數(shù)啞巴的人天生就是聾人，他們雖然不會說話，但是喉帶可以振動，并能以自己的方式發(fā)出聲音，但這對正常人來說這是毫無意義的。而人工喉可將無意義的噪聲，轉(zhuǎn)化為可控和可理解的聲音信號。

測試中，志愿者需要首先接受培訓(xùn)，當他們產(chǎn)生特定的咳嗽、哼哼或尖叫時，可以先用手勢語言告訴他們相應(yīng)的意思。然后，志愿者可通過一定時間的重復(fù)訓(xùn)練來適應(yīng)聲音強度，這一培訓(xùn)過程和將指紋導(dǎo)入 iPhone 的過程很相似。

可以聽聲音的人工喉

除了作為聲音探測器可以發(fā)聲之外，人工喉在檢測聲音時也有良好的響應(yīng)，研究中陶璐琪將 25mm 的 PI – 激光誘導(dǎo)的石墨烯用兩個卡子獨立固定，并把揚聲器放在位于距離人工喉部 3 厘米的地方，對鞭炮聲、牛叫聲、鋼琴聲、直升機聲音、鳥叫聲和鼓聲進行了音頻測試。

測試發(fā)現(xiàn)，不同單詞的波曲線具有明顯不同的特征，這有助于區(qū)分不同的單詞。此外，不同人發(fā)音的同一單詞的波曲線具有相似、但不相同的特征，因此這可能是通過語音識別進行身份認證的關(guān)鍵因素。

圖 | 人工喉相關(guān)示意圖（來源：受訪者）

但即便如此，人工喉距離應(yīng)用也還需要努力，因為聾啞人并不知道怎么把喉嚨振動和特定語言聯(lián)系起來、才能對應(yīng)出相應(yīng)信息，這需要一個漫長的學(xué)習(xí)過程，反而不如手語這樣已經(jīng)成熟的語言系統(tǒng)。

不過，這也是陶璐琪繼續(xù)搞學(xué)術(shù)的動力。當初為了研究人工喉，他一年做了 50 組實驗、閱讀了 1200 篇文獻，即便如此實驗進展依然很艱難。

做人工喉要求環(huán)境非常安靜，而他當時所在的實驗樓下面是清華微納加工平臺，里面發(fā)出的排風噪聲讓他根本無法做實驗。

他說：“好比身邊站著一群大媽在跳廣場舞，還放著鳳凰傳奇的音樂，（對于做實驗的）殺傷性比當時流行的勒索病毒厲害多了。”為此，他隔一兩天就拉著 60 斤重的設(shè)備，跑到十幾公里外的北京 798 藝術(shù)區(qū)的一間消音室做實驗，一做就是大半年。

最近，陶璐琪獲評為重慶市 “青年拔尖” 人才，這是他進入 30 歲以后的一大殊榮。這位出生于山東威海的 90 后科學(xué)家，本科就讀于省內(nèi)，博士北上就讀清華。

而當老師做科研，也給了他更多的責任，他會要求學(xué)生和他一樣健身，每周健身打卡三次堅持滿一年的學(xué)生，陶璐琪會給其報銷健身卡費用。

圖 | 陶璐琪（來源：受訪者）

談及未來，他表示將加強與醫(yī)療機構(gòu)的合作，探索傳感器在醫(yī)療健康中的應(yīng)用，響應(yīng)國家 “健康中國 2030” 戰(zhàn)略的要求，推動科研成果從基礎(chǔ)研究向?qū)嵺`應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

不少看過他的此前報道的讀者，都成了他的“顏粉”，但其已經(jīng)成家，不過他說歡迎報考重慶大學(xué)的碩士或博士。