受大鼠胡须启发，所提出的基于人工胡须的方法的概念设计为胃肠道疾病筛查提供了一种有前景的方法。A、B 说明老鼠胡须穿过无光管道状环境时的工作机制。CA模拟有病理变化的肠道。D、E 展示所提出的人工晶须系统的概念验证设计，以及所提出的系统的临床筛选例程。在这里，我们关注单通道子系统，它也可以帮助临床诊断。

　　胃肠道 (GI) 疾病的症状多种多样且令人痛苦，可能会导致严重的健康问题，并给全世界带来巨大的健康挑战。对于这些疾病，早期诊断和干预对于治疗成功和降低死亡风险至关重要。

　　现有的胃肠道疾病诊断方式通常是光学的，并且图像质量有限。此外，他们没有能力提供有关组织异常的信息，例如僵硬或结构问题。

　　然而，来自伦敦帝国理工学院和上海复旦大学的研究小组提出了一种新的触觉感官诊断方法，可以补充甚至增强现有的光学模式。他们的工作发表在《npj Robotics》上。

　　基于人工晶须的系统的建模分析，包括静态和动态模型，可深入了解其工作机制。A 晶须系统的静态模型。一般来说，人造晶须可以建模为具有自由端的悬臂梁，满足伯努利-欧拉方程。静电表明夹具在传感阶段是固定的。B 静态模型中定位精度问题的解析解。这种设计将导致难以区分的屈曲角度变化，随着胡须和目标之间距离的增加，系统依靠该变化来完成距离感知。CA电机驱动的晶须系统动态模型，可以提供更鲁棒的传感能力，但代价是体积大且难以高度集成。DA变体动态模型利用外部运动力驱动，具有更高的集成度和鲁棒性。

　　现有的诊断方式及其局限性

　　传统内窥镜检查是一种目前广泛使用的微创筛查方法，临床医生可以使用配有小型摄像头的灵活内窥镜来寻找患者胃肠道内的疾病迹象。然而，由于内窥镜检查是一种基于视觉的方法，因此其操作的黑暗和狭窄环境可能会损害其提供的图像质量。

　　另一种方法是无线胶囊内窥镜检查，患者吞下一个微型摄像头胶囊，该胶囊可以将图像无线传输给临床医生进行诊断。尽管胶囊内窥镜被认为是一种低成本、易于使用且侵入性最小的补充筛查方法，但它提供的图像也存在与传统内窥镜类似的质量问题。此外，胶囊内窥镜检查后仍可能需要传统内窥镜检查来建立详细诊断。

　　研究人员还开发并测试了各种色素内窥镜检查方法，但这些方法都存在类似的图像质量问题，并且可能需要使用生物相容性染料试剂，而这并不总是可行。此外，一种色素内窥镜检查方法的研究结果显示息肉检出率没有提高。

　　大鼠和卵泡的解剖结构。(A) 鼠须在现实世界的传感和导航能力中发挥着至关重要的作用。(B) 毛囊中的几个机械感受器。

　　大鼠胡须如何为新的诊断方式提供信息

　　与此同时，这项新提案的研究人员从老鼠胡须的感觉机制中获得了灵感。一些背景：老鼠的视力很差。正如人类可能使用指尖一样，老鼠也使用胡须来帮助它们感知有关物理环境的信息，而这些环境通常是黑暗和有限的。

　　研究小组知道为之前的研究开发的人造胡须在涉及距离感知和纹理辨别的任务中表现良好，因此看到了将其用于胃肠道疾病筛查的机会。为此，npj Robotics 提案概述了“一种基于仿生人工胡须的硬件系统，具有人工智能支持的自学习能力 ” 。

　　所提出的人工晶须传感硬件系统的设计，包括晶须传感器、信号调理电路和嵌入式控制算法。AA预处理电路(B中标记为3)是一个电荷放大器，旨在实现阻抗匹配以及电荷到电压信号的转换。B 晶须传感器的结构。在这个设计中，吉他弦由一根细芯和缠绕在其上的金属丝组成，用作胡须轴。PVDF 薄膜因其大动态范围而被用作利用压电特性的传感器。C 信号调理电路的结构包含3D打印上壳(标记为1)、信号调理电路PCB板(标记为2)、锂离子电池(标记为3)和3D打印下壳外壳(标记为 4)。D 嵌入式控制程序的命令传输和数据交换流程图。E 信号调理电路的框架，包含AFE系统、MCU系统和电源系统。SPI协议用于MCU和AFE系统之间的时序控制、数据/指令交互。

　　搅拌和人工智能

　　老鼠胡须所扎根的毛囊在很大程度上决定了它们的感觉能力。结合这些知识，该团队设计并测试了多个静态和动态硬件系统版本，他们在论文中对此进行了讨论。他们最终确定，具有外部驱动运动的动态模型(而不是由安装的电机驱动的运动，他们也对此进行了评估)将为诊断目的提供最佳的传感能力。

　　所提出的模型将结合连续的搅拌运动来提供基于距离感知而不是精确定位的信息。

　　“基于这个想法，我们开发了一种深度学习算法，针对输出信号和感兴趣的参数(例如纹理信息、硬度和距离估计)进行非线性参数映射，从而将输出转换为相关的参数。协助临床诊断的信息，”该研究指出。

　　本文详细讨论了所提出的模型以及研究人员评估固有噪声和核心功能的基准实验。它还描述了研究团队的试点研究，其规定的测试准确度结果“平均为 94.44%，kappa 为 0.9167”。

　　研究小组得出的结论是，通过提供胃肠道结构和纹理的详细信息，他们提出的触觉方法可以极大地改进或适用于当前的光学诊断方式。研究人员建议，进一步研究人造晶须的机械和物理特性，以及随附的多通道硬件的系统设计，可以帮助实现这种诊断方法。