项目成果/简介:世界上有数以百万的语言障碍患者，其中有的是由于先天缺陷导致其存在语言功能障碍，也有的是后天的一些疾病致使其丧失语言功能，语言功能障碍给他们的生活带来了极大的困难和不便。电子人工喉是一种简易的语言康复方法，其通常需要安装在口内喉部，由肺部发出的气流经过舌、唇的调制，引起人工喉膜片振动，使其发出语音信号。然而，现有电子喉助音器无法清晰还原患者声音，发音模糊，训练周期长，并且需要患者自己手持助

01. 成果简介 世界上有数以百万的语言障碍患者，其中有的是由于先天缺陷导致其存在语言功能障碍，也有的是后天的一些疾病致使其丧失语言功能，语言功能障碍给他们的生活带来了极大的困难和不便。电子人工喉是一种简易的语言康复方法，其通常需要安装在口内喉部，由肺部发出的气流经过舌、唇的调制，引起人工喉膜片振动，使其发出语音信号。然而，现有电子喉助音器无法清晰还原患者声音，发音模糊，训练周期长，并且需要患者自己手持助音器于喉部，造成极大不便，所以亟需便于失语者携带、操作简单、性能优异的新型人工喉的器件及系统研究。 本成果团队研究的第二代石墨烯智能人工喉（WAGT）在器件柔性可贴附、声音收发系统集成、动作监测系统、轻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贴合人体皮肤的纹身式薄膜作为衬底，无需胶带粘贴，可直接贴敷在人体喉咙，极大地提高了佩戴舒适感；其次，第二代石墨烯智能人工喉在收发声系统方面有了双重突破，实现了石墨烯的器件级应用至系统级应用的跨越。通过专用电路对声音信号的放大和转换，第二代石墨烯智能人工喉首次将收声系统和发声系统连接起来，实现了声音输入到输出的闭环，并可以通过示波器实时观测喉部运动情况。接着，通过与单片机的结合，该器件可以将人体喉部的不同动作“翻译”成不同的声音，实现了动作发声系统。通过连接解码器，该器件还可以播放任意音乐。最后，第二代石墨烯智能人工喉系统可通过臂包穿戴在胳膊上，首次实现了石墨烯人工喉的可穿戴功能。未来将进行体积更小及功能更多的集成，有望实现像“创可贴”一样贴附在人体喉部并帮助失语者“开口说话”。图1. 可穿戴的第二代智能石墨烯人工喉系统02. 应用前景 第二代智能石墨烯人工喉集收声和发声于一体，可直接贴附于失语者喉部，并将喉部的不同动作转化为对应声音，有望帮助失语者正常与他人“交谈”。在未来，该器件将与声纹识别、机器学习等技术结合，在语音识别、家庭医疗等领域具有广阔前景。03. 知识产权 已获得国家发明专利授权2项。04. 团队介绍 本成果项目团队负责人为任天令教授，清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任。担任IEEE电子器件学会副主席（中国大陆首次）、国际微电子领域顶级学术会议IEDM执委（中国大陆首次）、IEEE电子器件学会教育委员会主席（中国大陆首次）、中国微米纳米技术学会理事等。近年来，承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。主要研究方向为智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件与系统，智能信息器件与系统技术等。在国内外重要学术期刊和会议发表重要SCI期刊论文400余篇，国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文11篇；获国内外发明专利70余项，入选2018年爱思唯尔（Elsevier）“中国高被引学者”（微电子领域唯一入选者）。获2018年电子学会自然科学一等奖，“石墨烯智能人工喉”荣获科技导报评选的2017“中国十大重大技术进展”，“人工智能微纳电子器件”荣获2017“清华大学十大重大学术成果”，石墨烯“人工喉”在2018年全国科技活动周被评为“最受公众喜爱项目”，还入选2018年中国国际智能产业博览会十大“黑科技”创新产品（从1082项创新产品中脱颖而出）。团队成员有副教授、助理教授、助理研究员等7人。05. 合作方式 技术许可。06. 联系方式 邮箱：qyc16@mails.tsinghua.edu.cn、liuyi2017@tsinghua.edu.cn

本成果面向国家/地方植入医疗器械的重大战略需求，紧跟国际研究前沿， 围绕生物材料生物功能性及植入体药械结合的研发主线，基于细胞外微环境原理, 探究生物材料界面微环境特征如何调控骨/骨关节修复的核心科学问题，系统地 研究生物材料界面微环境特征与细施相互作用规律及分子机制，提供生物材料表 面功能化关键技术，最终为骨/骨关节修复提供新材料。植入体与宿主的生物反应首先发生在材料界面，诱发细胞粘附到组织形成的 生物级联反应。如何构建生物功能性界面并赋予植入体主动刺激细胞/组织功能 的性能，提高其使用寿命，是医疗器械研发关键科学问题之一。本项目创建生物 功能性界面与骨髓基质干细施双向“交流"调控的理论假说。利用双酸腐蚀及阳 极氧化等技术制备系列钛基多尺度微米、微/纳米、纳米结构，揭示微/纳米结构〉 纳米结构〉微米结构的生物学响应规律。率先将层层组装技术（LBL）技术引入到钛 基生物材料界面工程，获专利授权。进而，利用LBL技术构建生物因子插层多层 结构，调控骨髓间充质干细胞的分化，并促进植入体的骨整合性。首次在钛材表 面构建“三明治”界面结构，调控成骨细施/破骨细施动态生长平衡，开发出具 有骨质疏松治疗功效的钛基新型植入器械。

类风湿性关节炎是世界三大难治病之一。常累及掌指关节和腕掌关节，关节被破坏，导致疼痛，畸形及功能障碍，生活不能自理。在手术方法上，关节融合，滑膜切除，韧带修复，关节切除成形等有一定疗、但在缓解疼痛及功能重建方面均不及人工关节置换术疗效可靠，所以我们研制了人工掌指关节。

角膜（Cornea）作为眼部的重要组织之一，不仅承担着屈光、维持眼部正常结构的功能，对外界的病原体及尘埃颗粒也起到阻挡作用。然而，角膜同时也容易受到诸如细菌或病毒导致的眼部感染、化学或机械性损伤，以及肿瘤和自身免疫性疾病等影响。因角膜而引起的失明已成为全球第四大致盲原因，主要治疗方法就是角膜移植。当今全球单侧角膜失明人数约2300万，双侧角膜失明人数约490万，但每年角膜供体供应量只有约10万。此外，如果受体患者出现角膜血管化或先前排斥史,移植失败率可高达70%。因此，寻找临床上可大量获得并且具有良好的生物相容性人工角膜，是当前亟待解决的问题。 郭琼玉与约翰·霍普金斯大学助理教授Anirudha Singh，美国工程院、医学院两院院士Jennifer H. Elisseeff合作，在国际上率先提出并实现了蛋白多糖类似物对胶原蛋白纳米纤维结构的有效调控（图2）。 据悉，角膜胶原纤维的直径大小与排列方式对角膜材料的透光率和机械性能起着决定性的作用。该研究发现，环糊精类环状低聚糖能够调节胶原纤维的玻璃化、排列和超微结构，尤其是β－环糊精添加到I型胶原蛋白中后产生了与供体角膜相似的纤维层状结构，从而得以获得一种具有优越透明性和机械韧性的人工角膜植入物，并且在体外和兔角膜部分切除术模型上验证了该仿生人工角膜的生物相容性和手术性能。这项工作为体外制备具有临床转化前景的仿生人工角膜研究奠定了基础。

煤矿提升机箕斗卸煤不净的原因有:水煤、黏矸造成箕斗内滞卸载不完全；冬季严寒天气，箕斗内的水媒冻结造成滞煤，当箕斗定量装载在箕斗滞煤情况下再次装载后，其实际载荷超过额定负荷，远超过电机额定能力，会造成无法正常提升，若不及时排除，则易造成提升安全事故的发生。本成果设计了测量余煤卸载情况的监测系统，该系统将利用无线张力检测装置，实时检测提升机钢丝绳的张力，并通过无线发送装置发送到地面，之后，通过标度变换并计算出钢丝绳张力和载重量最终显示在液晶显示器上，当过有余煤未卸尽时，则报警，提醒及时清理箕斗余煤。该成果的发明，极大提高了矿井提升机的安全提升水平，促进了煤矿的安全高效生产。

寻求高校机械工程学院、计算机人工智能学院及信息工程学院方面的系统产品代理,教务处  浙江省合作

欧阳明高院士长期从事节能与新能源汽车新型动力系统研究（包括电控内燃机、燃料电池发动机、动力电池系统、多能源混合动力等），尤其是在面向排放控制的发动机新型电控高压喷油原理与系统研制、保障电动汽车安全性的锂离子电池热失控机理与主动防控，优化燃料电池耐久性的燃料电池/动力电池混合动力设计与控制方法等三方面开展了从理论创新、技术突破到推广应用的系统性工作，建立了汽车动力系统学研究与人才培养体系。根据中国新能源汽车动力电池比能量发展的趋势，我们很快就会向300瓦时/公斤的所谓的高镍三元811电池很快就会进入市场,清华大学专门建了电池安全实验室开展相关的基础研究和技术开发。目前清华大学电池安全实验室跟国内外企业和研究机构开展了广泛的合作，包括宝马、奔驰、日产等大公司。研究重点是在热失控的三个方面，一是热失控的诱因，包括热、电、机械的原因。二是热失控发生的机理究竟是什么，从而在材料设计层面加以防护。三是热蔓延，一旦单体电池防止不了热失控，就得有二次防护手段，就是在系统层面要切断热失控的蔓延，只要切断蔓延就可以防止事故。我们对高比能量电池的热失控控制，不仅靠材料本身，还要从系统层面来进行。目前，在电池管理系统方面，国内的产品的功能不足、精度不够，尤其是安全功能是不全，因此需要加大电池管理系统的研发力度。清华在电池管理系统的积淀比较丰富，已经获得65项专利授权，这些专利在国内外著名公司合作中得到了应用，其中部分专利也授权给了奔驰汽车公司。锂离子动力电池高比能是全世界范围的发展方向和趋势，把握高比能量与安全性之间的平衡点是关键。基于各国动力电池技术路线的比较，短期是液态电解液的锂离子电池，下一步将会向固态电池方向发展。综合考虑电池成本和动力电池的发展方向，我们建议我国也应该走类似的路径，即短期是液态电解质，发展高镍三元正极和硅炭负极，通过电池管理系统和热蔓延的抑制来防止安全事故发生，这类电池能够满足电动汽车500公里续驶里程的要求。