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項目成果/簡介:世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助

01. 成果簡介 世界上有數以百萬的語言障礙患者，其中有的是由于先天缺陷導致其存在語言功能障礙，也有的是后天的一些疾病致使其喪失語言功能，語言功能障礙給他們的生活帶來了極大的困難和不便。電子人工喉是一種簡易的語言康復方法，其通常需要安裝在口內喉部，由肺部發出的氣流經過舌、唇的調制，引起人工喉膜片振動，使其發出語音信號。然而，現有電子喉助音器無法清晰還原患者聲音，發音模糊，訓練周期長，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成極大不便，所以亟需便于失語者攜帶、操作簡單、性能優異的新型人工喉的器件及系統研究。 本成果團隊研究的第二代石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可貼附、聲音收發系統集成、動作監測系統、輕型可穿戴等方面有了重大突破。首先，第二代石墨烯人工喉采用了更貼合人體皮膚的紋身式薄膜作為襯底，無需膠帶粘貼，可直接貼敷在人體喉嚨，極大地提高了佩戴舒適感；其次，第二代石墨烯智能人工喉在收發聲系統方面有了雙重突破，實現了石墨烯的器件級應用至系統級應用的跨越。通過專用電路對聲音信號的放大和轉換，第二代石墨烯智能人工喉首次將收聲系統和發聲系統連接起來，實現了聲音輸入到輸出的閉環，并可以通過示波器實時觀測喉部運動情況。接著，通過與單片機的結合，該器件可以將人體喉部的不同動作“翻譯”成不同的聲音，實現了動作發聲系統。通過連接解碼器，該器件還可以播放任意音樂。最后，第二代石墨烯智能人工喉系統可通過臂包穿戴在胳膊上，首次實現了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未來將進行體積更小及功能更多的集成，有望實現像“創可貼”一樣貼附在人體喉部并幫助失語者“開口說話”。圖1. 可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系統02. 應用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收聲和發聲于一體，可直接貼附于失語者喉部，并將喉部的不同動作轉化為對應聲音，有望幫助失語者正常與他人“交談”。在未來，該器件將與聲紋識別、機器學習等技術結合，在語音識別、家庭醫療等領域具有廣闊前景。03. 知識產權 已獲得國家發明專利授權2項。04. 團隊介紹 本成果項目團隊負責人為任天令教授，清華大學信息科學技術學院副院長，教育部長江學者特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，清華大學環境與健康傳感技術研究中心副主任。擔任IEEE電子器件學會副主席（中國大陸首次）、國際微電子領域頂級學術會議IEDM執委（中國大陸首次）、IEEE電子器件學會教育委員會主席（中國大陸首次）、中國微米納米技術學會理事等。近年來，承擔國家自然科學重點基金、國家重大科技專項、國家公益性行業科研專項、國家重大儀器專項、國家863計劃、國家973計劃等多項國家重要科技項目，做出一系列具有重要國際影響的創新學術成果。主要研究方向為智能微納電子器件、芯片與系統，包括：智能傳感器與智能集成系統，二維納電子器件與芯片，柔性、可穿戴器件與系統，智能信息器件與系統技術等。在國內外重要學術期刊和會議發表重要SCI期刊論文400余篇，國際微電子領域頂級學術會議IEDM論文11篇；獲國內外發明專利70余項，入選2018年愛思唯爾（Elsevier）“中國高被引學者”（微電子領域唯一入選者）。獲2018年電子學會自然科學一等獎，“石墨烯智能人工喉”榮獲科技導報評選的2017“中國十大重大技術進展”，“人工智能微納電子器件”榮獲2017“清華大學十大重大學術成果”，石墨烯“人工喉”在2018年全國科技活動周被評為“最受公眾喜愛項目”，還入選2018年中國國際智能產業博覽會十大“黑科技”創新產品（從1082項創新產品中脫穎而出）。團隊成員有副教授、助理教授、助理研究員等7人。05. 合作方式 技術許可。06. 聯系方式 郵箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

淚道阻塞是眼科常見病，其危害主要是溢淚，經常流淚可導致眼周皮膚粗糙、糜爛、下瞼外翻、鼻淚管阻塞引起的慢性淚囊炎，常有膿性分泌物從淚點排出，對眼球構成潛在危險，對病人帶來很大痛苦，既防礙工作，又影響美觀。所以我們研制了人工淚小管，人工鼻淚管。

人工超材料是指亞波長尺度單元按一定的宏觀排列方式形成的人工復合電磁結構。由于其基本單元和排列方式都可任意設計，因此能構造出傳統材料與傳統技術不能實現的超常規媒質參數，進而對電磁波進行高效靈活調控，實現一系列自然界不存在的新奇物理特性和應用。然而，傳統的電磁超材料和超表面都是基于連續變化的媒質參數，很難實時地操控電磁波。 以程強教授為核心團隊的課題組在國際上首次提出“數字編碼與可編程超材料”，提出用二進制數字編碼來表征超材料的思想，通過改變數字編碼單元“0”和“1”的空間排布來控制電磁波。這一概念的提出不僅簡化了超材料的設計難度和優化流程，構建了超材料由物理空間通往數字空間的橋梁，使人們能夠從信息科學的角度來理解和探索超材料。更重要地是，超材料的數字化編碼表征方式非常有利于結合一些有源器件（例如二極管和MEMS開關等），在現場可編程門陣列（FPGA）等電路系統的控制下實時地數字化調控電磁波，動態地實現多種完全不同的功能。 在該工作中，作者利用優化算法，設計相應的時空三維編碼矩陣，超表面將入射波能量分散到空間任意方向和任意諧波頻譜上，這一特性很好地縮減了雷達散射截面（RCS），未來有望應用于新型的計算成像系統。更重要的是，引入時間維度的編碼之后，可以擴展傳統的空間編碼比特數，降低了實現高比特可編程超表面的系統復雜度。例如，一款2比特的可編程超表面，只要設計相應的時空編碼矩陣，就可以在中心頻率和諧波頻率實現等效的360度相位覆蓋，這是傳統可編程超表面無法實現的，可用于實現波束塑形等一系列實用功能。 本工作得到了國家科技部重點研發計劃“變革性技術關鍵科學問題”重點專項“微波毫米波數字編碼和現場可編程超構材料的理論體系與關鍵技術”，以及國家自然科學基金等項目的資助，相關實驗測試工作在東南大學毫米波國家重點實驗室完成。

本實用新型公開了一種人工氣道，特別是一種應用于醫療衛生領域的人工氣道。本實用新型提供一種可以簡化對人工氣道封閉氣囊壓力進行監測，并能實時對封閉氣囊的壓力進行自動安全調節，同時防止誤操作，使其可以安全且穩定維持在理想壓力值的人工氣道，包括導管、主接頭、封閉氣囊和充氣管，所述主接頭設置在導管的端部；所述充氣管一端與封閉氣囊相通，另一端與壓力指示氣囊相通，還包括壓力安全閥。當臨床醫務人員在充氣接頭處注射氣體，隨著注射氣體的增加壓力指示氣囊壓力，封閉氣囊以及壓力接口處的壓力也隨之增加，一旦封閉氣囊和外側壓力指示氣囊壓力過高超過壓力安全閥安全值，壓力安全閥打開漏氣釋放壓力。

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煤礦提升機箕斗卸煤不凈的原因有:水煤、黏矸造成箕斗內滯卸載不完全；冬季嚴寒天氣，箕斗內的水媒凍結造成滯煤，當箕斗定量裝載在箕斗滯煤情況下再次裝載后，其實際載荷超過額定負荷，遠超過電機額定能力，會造成無法正常提升，若不及時排除，則易造成提升安全事故的發生。本成果設計了測量余煤卸載情況的監測系統，該系統將利用無線張力檢測裝置，實時檢測提升機鋼絲繩的張力，并通過無線發送裝置發送到地面，之后，通過標度變換并計算出鋼絲繩張力和載重量最終顯示在液晶顯示器上，當過有余煤未卸盡時，則報警，提醒及時清理箕斗余煤。該成果的發明，極大提高了礦井提升機的安全提升水平，促進了煤礦的安全高效生產。

本成果面向國家/地方植入醫療器械的重大戰略需求，緊跟國際研究前沿， 圍繞生物材料生物功能性及植入體藥械結合的研發主線，基于細胞外微環境原理, 探究生物材料界面微環境特征如何調控骨/骨關節修復的核心科學問題，系統地 研究生物材料界面微環境特征與細施相互作用規律及分子機制，提供生物材料表 面功能化關鍵技術，最終為骨/骨關節修復提供新材料。植入體與宿主的生物反應首先發生在材料界面，誘發細胞粘附到組織形成的 生物級聯反應。如何構建生物功能性界面并賦予植入體主動刺激細胞/組織功能 的性能，提高其使用壽命，是醫療器械研發關鍵科學問題之一。本項目創建生物 功能性界面與骨髓基質干細施雙向“交流"調控的理論假說。利用雙酸腐蝕及陽 極氧化等技術制備系列鈦基多尺度微米、微/納米、納米結構，揭示微/納米結構〉 納米結構〉微米結構的生物學響應規律。率先將層層組裝技術（LBL）技術引入到鈦 基生物材料界面工程，獲專利授權。進而，利用LBL技術構建生物因子插層多層 結構，調控骨髓間充質干細胞的分化，并促進植入體的骨整合性。首次在鈦材表 面構建“三明治”界面結構，調控成骨細施/破骨細施動態生長平衡，開發出具 有骨質疏松治療功效的鈦基新型植入器械。

類風濕性關節炎是世界三大難治病之一。常累及掌指關節和腕掌關節，關節被破壞，導致疼痛，畸形及功能障礙，生活不能自理。在手術方法上，關節融合，滑膜切除，韌帶修復，關節切除成形等有一定療、但在緩解疼痛及功能重建方面均不及人工關節置換術療效可靠，所以我們研制了人工掌指關節。

角膜（Cornea）作為眼部的重要組織之一，不僅承擔著屈光、維持眼部正常結構的功能，對外界的病原體及塵埃顆粒也起到阻擋作用。然而，角膜同時也容易受到諸如細菌或病毒導致的眼部感染、化學或機械性損傷，以及腫瘤和自身免疫性疾病等影響。因角膜而引起的失明已成為全球第四大致盲原因，主要治療方法就是角膜移植。當今全球單側角膜失明人數約2300萬，雙側角膜失明人數約490萬，但每年角膜供體供應量只有約10萬。此外，如果受體患者出現角膜血管化或先前排斥史,移植失敗率可高達70%。因此，尋找臨床上可大量獲得并且具有良好的生物相容性人工角膜，是當前亟待解決的問題。? 郭瓊玉與約翰·霍普金斯大學助理教授Anirudha Singh，美國工程院、醫學院兩院院士Jennifer H. Elisseeff合作，在國際上率先提出并實現了蛋白多糖類似物對膠原蛋白納米纖維結構的有效調控（圖2）。 據悉，角膜膠原纖維的直徑大小與排列方式對角膜材料的透光率和機械性能起著決定性的作用。該研究發現，環糊精類環狀低聚糖能夠調節膠原纖維的玻璃化、排列和超微結構，尤其是β－環糊精添加到I型膠原蛋白中后產生了與供體角膜相似的纖維層狀結構，從而得以獲得一種具有優越透明性和機械韌性的人工角膜植入物，并且在體外和兔角膜部分切除術模型上驗證了該仿生人工角膜的生物相容性和手術性能。這項工作為體外制備具有臨床轉化前景的仿生人工角膜研究奠定了基礎。