Summary
本研究通过介绍一种创建声带层的特定方法，提供了制造过程的详细说明，并表征了模型的特性，展示了无粘性和超软声带模型的制造。
Abstract
本研究旨在开发用于语音研究的超柔和、不粘性声带模型。基于硅胶的声带模型的传统制造工艺会导致模型具有不良特性，例如粘性和可重复性问题。这些声带模型容易快速老化，导致不同测量值之间的可比性较差。在这项研究中，我们建议通过改变有机硅材料的分层顺序来修改制造工艺，从而产生不粘性和高度一致的声带模型。我们还将使用这种方法制作的模型与传统制造的声带模型进行了比较，该模型受到其粘性表面的不利影响。我们详细介绍了制造过程，并表征了模型的潜在应用特性。研究结果证明了改良制造方法的有效性，突出了我们无粘性声带模型的卓越品质。这些发现有助于开发用于研究和临床应用的逼真可靠的声带模型。
Introduction
声带模型用于模拟和研究正常和病理条件下的人声产生 1,2。创建声带模型的最大挑战之一是实现逼真的柔软度和灵活性，使其非常接近人类。为了实现这些性能，通常使用有机硅弹性体，用大量硅油稀释以达到相应的弹性模量3,4。创建逼真的声带模型的另一个关键因素是分层，因为声带由多层不同的柔软度组成，这决定了流动引起的振动模式和可能振动的频率。
在这项研究中，我们创建了一个典型的声带模型。我们使用了 Scherer5 提供的通用几何形状，它代表了 Zhang6 中长度为 17 mm 的男性声带的典型尺寸，由三层组成：一层用于声带肌肉（身体层），一层用于整个粘膜层（覆盖层），一层用于上皮。这种结构可以在 图1的日冕横截面图中看到。
图 1：喉模块的冠状横截面。 喉部模块的冠状横截面显示了声带的最宽宽度（8.5 mm）。每个声带包括身体层、覆盖层和上皮层。这个数字是从13修改而来的。转载自 Häsner， P.， Prescher， A.， Birkholz， P. 波浪形气管壁对硅胶声带振荡起始压力的影响。 J Acoust Soc Am.149 （1）， 466-475 （2021） 经美国声学学会许可。 请点击这里查看此图的较大版本.
其他出版物仅部分使用一层7，两层没有上皮层2 或用多层3模拟粘膜。通常，这些层是从内到外铸造的，即从最深的层开始。上皮非常薄，厚度为 30 μm，末端覆盖整个身体，用坚固的皮肤包裹它8.
模型中的覆盖层是最柔软的部分，杨氏模量约为 1.1 kPa9。对于体层，使用 体外 测量10 在横向上的近似杨氏模量为 2 kPa。 在体内，由于纵向纤维的存在以及肌肉的可能绷紧，甲状杓肌的杨氏模量可能更高。为了达到这种极低的杨氏模量，有必要在有机硅混合物中加入大量的硅油（约72%）。但是，制造商强烈建议不要使用大于 5% 的油比例。通常，在弹性体中添加硅油旨在增加流动和滴水时间，以及减少固化有机硅聚合物的收缩率。它有助于有机硅更均匀地固化，从而减少材料中的应力。其目的是优化固化材料的可塑性和性能，而不是增加其柔软度，尽管这也是一个结果。这是因为硅油具有化学惰性，这意味着它不能聚合自身，并且不会集成到有机硅聚合物11的网络中。相反，它以液相的形式保留在聚合物基体中，在更高的水平上削弱聚合物结构，并可能导致其溶解出固化材料并粘附在表面。因此，其他负面特性，如固化障碍、硫化不均匀、化学收缩和脆性是可能的。研究了硅油含量高的声带模型的老化和再现性，发现不同模型的特性存在高度变异性，其特性随时间变化11。
当以传统方式7,12生产声带模型时，上皮层的粘性可能是一个问题，因为它会影响振动的均匀性并导致上皮破裂。尽管用于制造上皮的硅胶是未稀释的，但可以假设从邻近粘膜层泄漏的油对硅胶具有与稀释相似的影响。通过添加各种粉末（例如滑石粉或碳粉）作为粘膜和上皮层之间的中间层来解决粘性问题12。这种方法可能是成功的，因为油被粉末部分吸收，因此可以降低上皮表面的粘性。
在本出版物中，我们表明可以通过对声带制造过程进行轻微修改来规避粘性问题。通过改变分层顺序，从未稀释的上皮硅胶（所谓的闭合硅胶）开始，可以生产出不粘的超软声带模型。这种变化涉及不寻常的模具和方法类型，最好以视频的形式呈现和解释。在本文中，我们详细描述了我们的制造过程，并演示了如何在应用中表征声带模型的特性。
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Protocol
1. 声带模型设计及零件3D打印
- 使用各种柔软的硅胶材料创建硅胶声带常见 M5 几何形状的多层表示。使用计算机辅助设计 （CAD） 软件设计各个零件。有关详细信息，请查看 补充编码文件 1、补充编码文件 2、补充编码文件 3、补充编码文件 4、补充编码文件 5、补充编码文件 6、补充编码文件 7、补充编码文件 8 。这些文件根据它们在模型中的功能进行命名，并作为后续步骤的基础。
- 编译和组织步骤 2 中每个步骤的必要文件。请参阅 补充图 1 中的所需零件及其数量列表。请参阅 补充图 2 中的模具装配示意图。
- 将 STL 文件加载到 3D 打印程序中，以生成 3D 打印机可以读取的 G 代码文件。
- 准备用于 3D 打印的材料（参见 材料表）。
- 对于 补充编码文件 2 和 补充编码文件 5，请使用导致层线不太明显的材料，例如聚乳酸 （PLA+） 或 PC。
- 对于 补充编码文件 1，请使用较硬的材料，例如 Tough PLA 或聚对苯二甲酸乙二醇酯 （PETG），因为它容易受到弯曲应力的影响。其余部分对印刷材料的选择没有进一步的限制。
- 为相应选定的 3D 打印机调整 3D 打印软件的设置。
- 对于 补充编码文件 2 和 补充编码文件 5，将最大层高设置为 0.1 mm。
- 对于 补充编码文件 1，将填充值设置为 100%，将打印图案设置为锯齿形，以获得更好的稳定性。此外，将构建板附着力类别设置为裙边而不是帽檐，因为零件的几何形状会使去除帽檐变得更加困难。
- 对于其他零件，请使用默认设置和 0.2 mm 的层高。
- 在3D打印机上打印上述零件。清洁零件并去除任何多余的材料，例如帽檐或印刷错误。用砂纸（等于或更细于推荐的 P1000）平滑内部接触面。
2. 声带模型的制作
- 收集以下零件和材料来创建身体层：声折正 （2x）、vocalis_mold帽、vocalis_mold主部分、vocalis_mold壳、初级硅胶、脱模剂和稀释剂（有关详细信息 ，请参阅材料表 ）。
- 在所有模具零件的内表面涂抹一些脱模剂。
- 将模具的主要部件和盖子组装在正极上，然后将模具包装放入指定的锅中。如有必要，校正两个模具零件的对齐方式。确保浇注硅胶的正极孔朝上，模具在平坦的表面上有稳定的立足点。
- 将初级有机硅与三份稀释剂（1：1：3）混合，首先将组分A与稀释剂混合，然后添加组分B。总量为 6 克的硅胶混合物足以从两个声带的一半铸造身体层。
- 在真空室中以至少 -1 bar 的次压对硅胶混合物进行真空吸尘，以防止在固化的硅胶体内形成气泡。
- 小心地将真空硅胶混合物倒入模具型腔中，直到它看起来充满。填充模具罐的周围区域，以防止非常薄的硅胶混合物通过模具接头下沉。在滴水期间检查硅胶液位，必要时添加更多硅胶。该混合物的滴落时间在1-2小时之间。
- 经过约1天的固化时间，但至少8小时，从锅中取出模具，包括正模。在打开模具之前，请取下模具和锅之间的硅胶。
- 打开模具时，首先从正极背面开始小心地取下盖子。然后，取下模具的主体。使用手术刀或侧刀小心去除多余的硅胶。
- 准备musosa_mold背、musosa_mold主部和musosa_mold壳部分，以及用于生产上皮层的二级硅酮和脱模剂。（见 材料表）。
注意：步骤 2.1 和 2.2（体和上皮层）可以同时完成。- 组装两个模具零件并将它们放入船体中。在模具内部准备一些脱模剂，确保内壁按照相应脱模剂的使用说明进行涂覆。在继续操作之前，让组件短暂风干。
- 在不使用稀释剂 （1：1：0） 的情况下混合一批二次硅胶。如果在混合时将气泡引入有机硅混合物中，请按照步骤2.1.4对混合物进行脱气。
注意：请注意这种混合物的滴落时间很短，约为 15 分钟。 - 将一些混合物倒入模具中并旋转（将模具留在船体中），直到所有内表面都涂有硅胶。
- 将模具翻转过来，让多余的硅胶排出。将模具固定在网眼、炉排上或允许进一步硅胶排水的角度的此位置。
- 在固化过程中，通过定期抚平硅胶来防止硅胶中形成悬垂，尤其是在空气通道所在的区域。
注意： 这些也可以稍后用钳子小心地去除。
- 通过制备步骤2.1中的vocalis硅胶层的正片，用步骤2.2中的上皮层制备的模具以及 材料表中列出的硅胶和稀释剂来准备粘膜中间层的生产。
- 将初级硅胶与五份稀释剂（1：1：5）混合，首先将组分A与稀释剂混合，然后加入组分B。总量为4克硅胶混合物就足够了。
- 如步骤2.1.4所示，在真空室中对硅胶混合物进行真空吸尘。
- 用制备的上皮硅胶将一部分硅胶混合物填充到粘膜模具中。倾斜模具，直到上皮硅胶的所有内表面都覆盖一层薄薄的油，以利于插入正极。
注意：可选：由于稀释剂比例高，混合物具有数小时的漫长滴滴时间，在此期间混合物可以通过蒸发收缩。因此，在继续下一步之前，请等待大约 2-3 小时。 - 小心地将带有声体的正极插入模具中。如果正极漂浮在硅胶上，请将正极固定在模具中，例如用夹子夹住。根据之前添加的硅胶量，它可能会在填充点逸出。
- 以与铸造人声层相同的方式填充模具，如果材料下沉，则相应地加满。
- 滴水时间结束后等待 24 小时，让硅胶完全固化。
- 24小时后，将阀体从模具中取出。首先，从外壳上取下模具。然后，从后部开始，打开模具并卸下模具的主要部分。
- 小心地去除多余的硅胶，清洗表面并让身体干燥。
- 将两个声带安装在 补充编码文件 8 中测量和组装模块上的指定位置。该连接设计用于两个 M3 螺钉和 M3 方形螺母 （DIN 562），但它们不是强制性的。
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Representative Results
将制造的声带模型集成到 补充图 3 中描述的声带位置的测量设置中。该装置在之前的出版物13 中进行了详细介绍，包括一个多级可控气流源，可刺激声带模型振荡，以及一系列测量仪器，用于记录声压、特定位置的静压和体积速度等数据。对于测量，气流逐渐增加，直到声带模型开始振荡。随后，气压比起始压力高出 200 Pa，以实现稳定而稳健的振荡。增加了一个额外的高速摄像头，并将其放置在声道模型上方，以每秒 2304 帧的最大帧速率捕捉声带振荡运动。
集成在肺内的灯通过声门下束发光，使声门呈白色。 图 2 描绘了两个系列的振荡图像，每个图像由六帧组成，说明了典型的关闭-打开-关闭周期。上行（图2A）显示了使用所提出的方法制造的声带的振荡，而下行（图2B）展示了在初步工作13期间创建的传统声带模型的极端示例，由于其粘性表面而无法产生稳定的振荡。对于后者，表面粘性导致声门首先在前端和后端打开，而中央部分稍后打开。由于粘附，模型的表面在特定点已经轻微损坏。
图 2：高速摄像机拍摄的单个帧的序列。 高速摄像机拍摄的单个帧序列，展示了声带振动的近距离-打开-关闭循环。（A）使用所提出的方法制备的声带。（B） 具有粘性表面的传统声带模型的振动。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3 和 图 4 分别显示了所提出的模型和传统（粘性）模型的声门区域的时间函数。使用GlottalImageExplorer软件14 从可用的图像序列中计算出面积波形（每个图中的左侧部分）。图的右侧部分显示了时间函数的幅度谱，以指示它们的周期性程度。使用Praat软件15从时间函数中提取基频。从 图3 中可以明显看出，所提出的声带模型在选定的持续时间内显示出稳定的振荡，从而能够准确计算基频。相比之下， 图 4 显示了非典型和混乱的声门区域函数，具有不一致的最小值和最大值，以及各种伪影。在这种情况下，基频的提取变得具有挑战性，甚至不可行。
图 3：使用所提出的方法构建的声带模型的面积波形。 使用（A）GlottalImageExplorer从高速摄像机图像数据中获得的区域波形的表示，以及（B）使用所提出的方法制作的声带模型的派生幅度谱。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 4：具有粘性表面的声带模型的区域波形。 使用 （A） GlottalImageExplorer 从高速摄像机图像数据中获得的区域波形表示，以及 （B） 使用具有粘性表面的传统声带模型获得的幅度谱。 请点击这里查看此图的较大版本.
补充图 1：制造声带半声的基本组件列表。 制造声带半声带的基本组件清单。1 - 一个声带半部分的支撑结构，2a-c - 用于制作身体层的模具组件，3a-c - 用于制作覆盖层的模具组件，4 - 用于连接的支撑结构。 请点击此处下载此文件。
补充图2：模具装配示意图。模具装配示意图。左 - 用于创建主体层的模具，右 - 用于创建覆盖层的模具。标签与补充图 1 中的零件列表相对应。 请点击此处下载此文件。
补充图 3：测量系统的完整设置。 测量系统的完整设置。这个数字是从13修改而来的。转载自 Häsner， P.， Prescher， A.， Birkholz， P. 波浪形气管壁对硅胶声带振荡起始压力的影响。 J Acoust Soc Am.149 （1）， 466-475 （2021） 经美国声学学会许可。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件 1：一个声带半部分的支撑结构。 这是生成 vocal-fold-positiv 的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件 2：用于制作车身层的模具组件 1。 这是要生成vocalis_mold主部件的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件 3：用于制作车身层的模具组件 2。 这是要生成 vocalis_mold 帽的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件4：用于制作车身层的模具船体，以避免硅胶泄漏。 这是生成vocalis_mold-hull的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件 5：用于制作覆盖层的模具组件 1。 这是要生成mucosa_mold-main-part的文件。 请点击这里下载此文件。
补充编码文件 6：用于制作覆盖层的模具组件 2。 这是要生成mucosa_mold回的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件7：用于制作覆盖层的模具船体，以避免硅胶泄漏。 这是生成mucosa_mold船体的文件。 请点击此处下载此文件。
补充编码文件 8：用于连接声带两半的支撑结构。 这是用于生成 measurement-pressure-tap-adapter 的文件。用于连接声带两半的支撑结构，包括压力测量抽头。 请点击此处下载此文件。
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Discussion
这里介绍的制造过程涉及对其成功产生重大影响的关键步骤。首先，应该注意的是，所提出的制造工艺并没有解决声带体材料中的油饱和问题，而是规避了某些负面的副作用。释气以及相关的收缩和表面波纹仍然存在，尽管程度较小。解决这些问题的方法包括使用超软硅胶或替代材料，将真实声带的弹性模量与稳定耐用的聚合物结构相结合。然而，缺乏这种材料突出表明，在全面解决这些问题方面目前存在局限性。
对于由两半组成的声带模型，制造过程比传统的制造方法要复杂一些，因为它涉及更多的组件，并且通常的由内而外的组装方法在这里不适用。固有优势包括集成的溢流保护，便于使用高度稀释的有机硅，以及在固化过程中更好地观察和应对填充液位和潜在气泡形成的能力。当旨在最大限度地减少使用相同有机硅混合物生产的小批量生产模型的制造引起的性能变化时，这很有帮助。此外，它还降低了废品率。
与传统的声带建模相比，所提出的技术具有明显的优势。通过振荡过程中声门区域的视频记录，证明可以降低声带表面的粘性。因此，可以产生稳定的流动引起的振荡，并且可以从图像中获得干净、无伪影的波形数据，而无需在测量前使用滑石粉或洗涤剂等辅助工具。虽然所提出的传统模型（作为参考）是一个极端的例子，但粘性仍然是测量的一个问题，并且对脆弱的薄上皮层构成风险。所提出的工程解决方案可以规避这个问题，并有助于获得更可靠和可重复的结果。
展望未来，改进的制造工艺有望实现各种应用。该技术适用于生产具有类似人类声道的人形机器人或语音设备16 为人工智能和机器人技术的进步开辟了道路。此外，它在语音生成和语音产生的基础研究中的应用6,17表明了它对更广泛的科学界的潜在贡献。
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Disclosures
作者声明，他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。
Acknowledgments
该项目得到了德国研究基金会（DFG）的支持，资助号。BI 1639/9-1号文件。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3D Printer | ULTIMAKER | Type S5 | |
| 3D Printing software | ULTIMAKER CURA | Version 5.2.2 | |
| CAD Software | Autodesk Inventor | Version 2023 | |
| High Speed Camera | XIMEA GmbH | MQ013CG-ON | |
| PLA+ 3D Printer Material | eSun | none | white |
| Primary silicone | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000041 | EcoFlex 00-30 |
| Release Agent | KauPo Plankenhorn | 09291-006-000001 | UTS Universal |
| Secondary silicone | KauPo Plankenhorn | 09301-005-000181 | DragonSkin NV10 |
| Silicone Thinner | KauPo Plankenhorn | 09301-010-000002 | |
| Tougth PLA 3D Printer Material | BASF | black |
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