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(shí)不免和 996 掛鉤，但在每年動(dòng)輒上千萬畢業(yè)生就業(yè)壓力之下，能進(jìn)大廠的注定是 “少數(shù)派”?？商砧寸髌?，他渴望的 “少數(shù)派” 是做科研，也正是在華為的經(jīng)歷，堅(jiān)定了他做學(xué)術(shù)的決心。

圖 | 陶璐琪（來源：受訪者）

在華為時(shí)他主要做麥克風(fēng)和聽筒等手機(jī)音頻器件，假如一款手機(jī)因?yàn)槁犕彩盏?2%-3% 的投訴，華為會(huì)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(jī)，并用顯微鏡找出問題。工作并非沒有價(jià)值，但卻讓他覺得略顯機(jī)械化。

當(dāng)時(shí)，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(dāng)時(shí)重慶大學(xué)也有一個(gè) “百人計(jì)劃”，最終陶璐琪從深圳轉(zhuǎn)到西南，借此機(jī)會(huì)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(shí)驗(yàn)的陶璐琪（來源：受訪者）

“狗說的你能聽懂么？”

事實(shí)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(jī)，他說這款耳機(jī)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(dòng)作。

這時(shí)，一位師弟問他：“那狗說的你能聽懂么？”

這個(gè)問題讓他陷入了思考，不管談話對象是動(dòng)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(gè)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(dāng)時(shí)在清華大學(xué)微電子所教授任天令的帶領(lǐng)下，陶璐琪擔(dān)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(yáng)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(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)厚度特別薄的時(shí)候，隨便有點(diǎn)風(fēng)吹草動(dòng)，石墨烯的電學(xué)信號就會(huì)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(huì)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(dāng)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(dòng)，且能把這種震動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)，把這個(gè)（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(dòng)。震動(dòng)檢測出來以后，第二步就是識(shí)別不同的震動(dòng)，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(gè)低成本的便攜式激光平臺(tái)，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(biāo)志和一個(gè) 6 厘米 x4 厘米的矩形輸入到計(jì)算機(jī)控制軟件中，就可在 PI 膜上產(chǎn)生相同的圖案?；诖耍砧寸饔靡粋€(gè)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(diǎn)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了單器件的聲音收發(fā)同體。

具體來說，當(dāng)利用信號發(fā)生器在石墨烯上施加交流電壓時(shí)，周期性的焦耳熱會(huì)導(dǎo)致空氣膨脹，從而產(chǎn)生聲波；當(dāng)對石墨烯施加低的恒壓直流偏置時(shí)，喉繩的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致石墨烯電阻發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生電流的波動(dòng)。因此，人工喉可以同時(shí)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(shí)的微弱振動(dòng)，聾啞人發(fā)出的特殊聲音也因此可被識(shí)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(qiáng)度可控的規(guī)律性聲音，進(jìn)而讓聾啞人 “開口說話”。

具體來講，當(dāng)人工喉在檢測喉嚨震動(dòng)的時(shí)候，它會(huì)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(dòng)、轉(zhuǎn)變成預(yù)先錄制的語言，比如 “今天天氣不錯(cuò)” 等等。

圖 | 對揚(yáng)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(jī)理主要是利用熱聲效應(yīng)和壓阻效應(yīng)。當(dāng)作為聲源工作時(shí)，人工喉可以產(chǎn)生頻率從 100Hz 到 40kHz 的寬帶聲音；當(dāng)作為聲音檢測器工作時(shí)，人工喉可對不同類型的聲音和喉部振動(dòng)模式表現(xiàn)出獨(dú)特的響應(yīng)，它還能識(shí)別咳嗽、哼哼和尖叫等其他動(dòng)作導(dǎo)致的微弱喉嚨振動(dòng)。

這是因?yàn)椋人?、哼聲或尖叫?huì)引起喉帶的振動(dòng)，這些聲音被人工喉檢測到以后，也會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生可控的聲音。因此，人工喉可實(shí)現(xiàn)從無意義的聲音、到可控的和預(yù)先設(shè)計(jì)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(huì)說話，但是喉帶可以振動(dòng)，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(dāng)他們產(chǎn)生特定的咳嗽、哼哼或尖叫時(shí)，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(shí)間的重復(fù)訓(xùn)練來適應(yīng)聲音強(qiáng)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(shí)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(gè)卡子獨(dú)立固定，并把揚(yáng)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(jī)聲音、鳥叫聲和鼓聲進(jìn)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(shí)別進(jìn)行身份認(rèn)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?yàn)槊@啞人并不知道怎么把喉嚨振動(dòng)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(gè)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(dòng)力。當(dāng)初為了研究人工喉，他一年做了 50 組實(shí)驗(yàn)、閱讀了 1200 篇文獻(xiàn)，即便如此實(shí)驗(yàn)進(jìn)展依然很艱難。

做人工喉要求環(huán)境非常安靜，而他當(dāng)時(shí)所在的實(shí)驗(yàn)樓下面是清華微納加工平臺(tái)，里面發(fā)出的排風(fēng)噪聲讓他根本無法做實(shí)驗(yàn)。

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(shí)驗(yàn)的）殺傷性比當(dāng)時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(jìn)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(dāng)老師做科研，也給了他更多的責(zé)任，他會(huì)要求學(xué)生和他一樣健身，每周健身打卡三次堅(jiān)持滿一年的學(xué)生，陶璐琪會(huì)給其報(bào)銷健身卡費(fèi)用。

圖 | 陶璐琪（來源：受訪者）

談及未來，他表示將加強(qiáng)與醫(yī)療機(jī)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(dòng)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(bào)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(bào)考重慶大學(xué)的碩士或博士。