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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

一、基于虛擬現實（VR）的中小學智慧教育：為在教育行業落實重慶市五屆人 大一次會議打好“三大攻堅戰"，實施“八項行動計劃”的精神，該成果充分利 用VR身臨其境和游戲互動的高科技手段，采用中小學生易于接受的方式，學習 和體驗初高中的課本教學大綱內的知識重點難點，讓學習不再枯燥。參展內容包 括《物理》VR課程（17章節），《化學》VR課程（10章節），《生物》VR課 程（6章節）。該成果直接或者間接解決幾個問題：1激發學生學習興趣；2. 易于接受；3.有利于教育公平；4.中小學學習減負和升學壓力平衡的解決方案；5.教育奢侈化潮流下的一種解決方案；6.教師上課的強有力的輔助工具；7.畫面 場景效果優異，讓學生瞬間愛上這種方式的學習，在玩耍中潛移默化的學習。 二、智能穿戴及其應用：為深入貫徹黨的十九大精神，為促進我市經濟轉型 升級、積極響應重慶市以大數據智能化為引領的創新驅動發展戰略，全方位對接 和服務重慶“三大攻堅戰"和“八項行動計劃"，加快大數據、人工智能技術率 先在相關領域的深度應用，落實重慶市《關于加快推進可穿戴設備產業發展的工 作意見》，加強“互聯網+ ”人工智能核心技術及平臺開發，推動虛擬現實、增 強現實產品研發及產業化，支持可穿戴設備、智能服務機器人等產品創新和產業 化升級。為解決現有如Kinect、LeapMotion等視覺感知產品場景受限，并且國 際上無完善的基于穿戴產品的應用識別的技術等問題，實施可穿戴設備與云計算、 大數據、人工智能、虛擬現實等技術的融合應用開發。參展內容包括智能穿戴硬 件設備（智能手套、智能手表等），以及智能穿戴應用（1.基于智能手環的非 接觸式Fly Bird游戲；2,面向老年人的穿戴式家居設備控制系統；3.基于智 能手環的手勢控制音樂播放器；4,基于穿戴手勢的智能小車控制系統）。市場及經濟效益分析： 一、 基于虛擬現實（VR）的中小學智慧教育項目效益：針對中小學“物聯網、大數據、人工智能”教育培訓提供實驗室搭建指導、師資 培訓、課程研發與學生體驗。為中小學提供“建立實驗室、師資培訓、學生體驗培訓、課程研發”服務； 結合全國計算機教育指導委員會指導設立行業標準服務重慶及西部教育市場。 二、 智能穿戴及其應用項目效益： 填補重慶智能穿戴產業研發空白； 成立重慶市智能穿戴健康大數據中心；通過核心技術研發協助政府招商，形成穿戴產品產業鏈聚集，推進重慶傳統制造 業升級轉型，占領國際智能穿戴科技領域，促進我國民生保障，醫療服務和環保 事業的發展；通過全國甚W全球智能穿戴協會資源，引入領域高層次人才。

心血管疾病是威脅人類健康的重要殺手。我國心血管病患者已達到 2.9 億人，心血管病 死亡占城鄉居民總死亡原因的首位。中國已步入老齡化社會，2050 年，老齡化水平將達到 30%以上。老年人群體作為心血管疾病的多發群體，面向老年人的心血管病管理和治療已成為不可回避的一個重要社會問題。實現老年人群體等重點人群心血管健康的長時程監護，從而早預防、早發現、早治療，已經成為醫療服務的重點。 基于長時程醫療數據的臨床心電智能檢測平臺是推動心血管疾病科學防治和管理升級 的關鍵技術。近年來，眾多醫療設備廠商在可穿戴設備領域大力投入，所研發可穿戴設備可 實現用戶心電圖等生理健康數據的長時程監測，彌補了醫院測量心電圖的短時性。本課題中， 基于人工智能算法研發心血管疾病智能診斷系統，將可穿戴設備、移動終端、云端服務器所 實現自動診斷結果與專家診斷結果有機結合起來，實現心電疾病診斷智能化。長時程臨床心 電智能檢測平臺的建立，利用可穿戴設備實現了對用戶身體狀況的長時程監測和異常篩查， 可有效推動心血管疾病健康管理模式建立。 北京清華長庚醫院心內科張萍教授團隊在正常和疾病心電數據庫有長期的積累，曾負責十二五國家科技支撐計劃《基層心電監護產品應用評價研究》，在心電監護產品評價和推廣 應用方面積累了豐富的經驗，在本項目中提供了醫療級心電測試數據庫，與清華大學王貴錦 副教授一起搭建了醫生在環并不斷反饋的心電智能檢測平臺，同時，北京清華長庚醫院作為 北京市昌平區遠程診斷管理中心，為未來心電產品的推廣應用和心電智能診斷的評測提供了 良好的平臺。清華大學電子工程系王貴錦老師團隊在低功耗硬件設計、生理大數據分析、心 電智能算法研究領域有著長期的積累。團隊在國內外頂級期刊會議上發表文章百余篇，其中 SCI 文章 40 余篇，發明專利授權近 20 項。團隊基于人工智能算法開展心血管疾病智能診斷 研究，在多種心電疾病診斷中達到世界先進水平。 團隊所研發臨床長時程心電智能檢測平臺特點如下： l 實現長時程心電數據的展示、查詢、關鍵指標計算等功能； l 基于醫療大數據和人工智能技術，實現室性早搏、房性早搏、T 波改變、ST 段改 變、早復極圖形改變、心房顫動等 10 余種常見心電術語的智能診斷，準確度高； l 建立心電診斷術語工程化分級體系，實現醫學和工程科學高效結合； l 建立心電圖規范化數據庫，為醫學研究創造基礎。 團隊所研發的手持式可穿戴心電智能檢測平臺特點如下： l 實現了院外心電數據的測量和采集 l 基于手持式單導聯設備和人工智能技術，實現了心房顫動的院外篩查和診斷

項目成果/簡介:心血管疾病是威脅人類健康的重要殺手。我國心血管病患者已達到 2.9 億人，心血管病 死亡占城鄉居民總死亡原因的首位。中國已步入老齡化社會，2050 年，老齡化水平將達到 30%以上。老年人群體作為心血管疾病的多發群體，面向老年人的心血管病管理和治療已成為不可回避的一個重要社會問題。實現老年人群體等重點人群心血管健康的長時程監護，從而早預防、早發現、早治療，已經成為醫療服務的重點。

高柔性、高安全性、高能量密度的柔性電源器件，能為移動、便攜式、可穿戴電子設備提供穩定、安全的電源技術。 

 可穿戴電子設備具有體積小，測量方便和支持實時動態測量的優點，是未來智能健康監測平臺的核心。本項目針對可穿戴生物電子設備開發的難點與挑戰，依托研究團隊在生物電信號采集、處理和集成電路設計的前期工作基礎，通過系統級算法設計，關鍵電路模塊優化等工作，研究與設計具有高靈敏度，低噪聲和低功耗的生物電信號采集系統。   在本項目中，研究團隊就當前可穿戴電子設備面臨的核心挑戰展開技術攻關，包括設計具有高精度和低噪聲的模擬采集電路，低功耗的模數轉換器，以及能夠克服運動偽跡干擾的生物電信號處理電路。此外，基于低功耗的無線傳輸技術，系統中集成了采集電路到終端智能手機的信號傳輸模塊，并開發了相應的軟件應用程序。 在本項目的實施過程中，利用團隊連勇教授先前研發的超低功耗、高性能心電采集芯片，研發團隊設計與演示了具有高精準度的可穿戴心電/血壓監測系統。該系統能夠準確實時地將采集到的生物電（如血壓）信號傳輸到移動終端，并通過抗噪聲信號處理算法實時地反饋用戶的當前狀態。研究團隊還開發與設計了基于柔性電極材料的腦電采集與分析電路，面向疲勞駕駛檢測這一應用背景，開展了相應的真車采集實驗。    

健康管理大數據平臺的建設，是實現全民健康國家戰略的重要組成部分，雖然移動互聯的技術和應用突飛猛進，但高效、便利的生物信號采集終端設備尚待有效解決。該研究成果是健康物聯網領域的智能終端設備，它基于心率變異性分析的獨特算法，通過個體佩戴的可穿戴帶式設備采集生物信號，實現對個體健康狀況的整體評價，同時生物信號數據的處理分析依托于移動互聯網和云端，該項需要醫-工結合的技術可助力健康管理大數據平臺的建設。

健康管理大數據平臺的建設，是實現全民健康國家戰略的重要組成部分，雖然移動互聯的技術和應用突飛猛進，但高效、便利的生物信號采集終端設備尚待有效解決。該研究成果是健康物聯網領域的智能終端設備，它基于心率變異性分析的獨特算法，通過個體佩戴的可穿戴帶式設備采集生物信號，實現對個體健康狀況的整體評價，同時生物信號數據的處理分析依托于移動互聯網和云端，該項需要醫-工結合的技術可助力健康管理大數據平臺的建設。應用范圍:可應用于各類人群的健康狀況評估及健康管理大數據的采集。效益分析:該技術通過可穿戴式生物信號采集設備，實現對個體健康狀況的整體評價。由于信號采集的硬件已非常成熟，該技術的核心部分主要在于信號分析的算法。 其技術優勢在于：指標特異性高；生理基礎明確；心電信號分析算法獨特；是無創的診斷技術；檢測條件簡便；所需硬件技術成熟、成本低廉；便于健康管理大數據的采集；具有大規模推廣的價值。

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可穿戴天線在數據無線傳輸中發揮著重要作用，但可穿戴天線的設計與常規天線有很大的不同。首先是人體對于天線輻射有非常大的散射作用。天線在人體附近會出現增益降低，匹配變差，方向圖惡化等現象。其次，柔性可穿戴天線需要在各種物理形變，溫度、濕度變化的情況下保持性能的穩定性。另外，人體在長期電磁輻射環境下的安全風險也要在天線設計的同時予以考慮。所有這些問題都給可穿戴天線的設計帶來了巨大的挑戰。而近年來，電磁超材料的研究取得了長足的進展。作為一種人工合成的材料，超材料可以擁有多種自然界中很少存在、甚至不存在的特性。這些特性給予了天線設計一個新的思路，使設計者在材料選擇中有更大的自由度。基于超材料的多種新型天線已經展示出了新穎、優異的性能，如雙頻、多頻工作，尺寸的超小型化，以及各種可重構能力。雖然這些性能對于可穿戴領域有很強的吸引力，但現階段對于超材料的研究還是主要集中在傳統天線領域，在可穿戴領域，基于超材料的天線設計并不多見。 基于以上背景，該項目研究一方面，可穿戴領域迫切得需求天線設計的創新理論，另一方面，基于超材料的天線顯示出了多種優異的性能。因而，研究思路是將這兩個當前最有活力的研究領域結合起來，將電磁超材料的理論引入可穿戴天線設計領域，大幅度的提高可穿戴天線的性能，豐富其功能。