人工智能驱动的3D打印机实时烹饪食物，实现商业食品准备自动化

　　(Nanowerk Spotlight）一种新型3D打印机可以在打印过程中逐层烹饪食物，并利用人工智能设计复杂的可食用结构。香港科技大学开发的这一集成系统将精确的红外加热与人工智能驱动的设计工具相结合，解决了自动化食品生产中的关键限制：在打印过程中保持食品安全，并在不需要专业技术的情况下创造出复杂的形状。

　　相关研究成果发表在《先进材料》上（“Advanced 3D Food Printing with Simultaneous Cooking and Generative AI Design”，
DOI:https://doi.org/10.1002/adma.202408282）。

　　与使用塑料或金属等传统材料进行生产相比，自动化食品生产面临着独特的挑战。食品必须适当加热以确保安全，但在烹饪过程中保持预定形状却很困难。目前的 3D 食品打印机分两步操作：首先打印冷的食品糊状物，然后将其转移到烤箱或油炸锅中。这种方法往往会导致形状变形，并增加食品在机器之间移动时的污染风险。新系统使用激光处理过的聚酰亚胺薄膜（即激光诱导石墨烯（LIG））制成的专用红外线加热器，将这些步骤整合在一起。这种超薄加热元件可提供精确的温度控制，在整个打印过程中，打印食品层的表面温度可达 137°C，侧面温度至少保持在 105°C，而耗电量仅为 14 瓦，仅为传统烤箱和空气炸锅 1000-2000 瓦耗电量的一小部分。

　　图：a). 打印和在线烹饪装置的逐步 3D 食品制作过程。） c) 打印头装置包括挤出管入口、挤出喷嘴和加热器支架。 d) 红外线加热器的外部外壳采用锥形设计，以便将热量集中传输到目标打印区域。

　　研究人员使用基于淀粉的饼干面团演示了他们的打印机。当每一层面团从打印喷嘴喷出时，红外线加热器会立即将其煮熟，保持准确的打印形状，同时杀死有害细菌。这种立即烹饪的方法可以防止打印食品在等待烘烤时通常会出现的坍塌和变形。

　　详细分析显示，与传统烹饪方法相比，这种方法效果更佳。研究小组利用扫描电子显微镜观察到，红外线烹制的样品保持了一致的内部结构，没有出现烤箱烘烤食品的剧烈膨胀。X 射线成像显示，整个食物的孔隙度均匀一致，表明在不影响结构完整性的情况下进行了彻底烹饪。此外，COMSOL 模拟证实了均匀的热量分布，显示热量仅从顶层1-2 毫米处穿透，防止了下层的过度烹饪。

　　通过细菌测试，该系统在食品安全方面的优势显而易见。传统的熟制样品在 48 小时后会出现大量细菌生长，而经过红外线处理的食品在 100°C 时只有 0-6 个细菌菌落，而经过烤箱烘烤和空气油炸的样品则有 200 多个细菌菌落。这种改进源于对每个印刷层的即时高温处理。

　　研究人员还通过人工智能简化了设计过程。他们的系统不要求用户掌握复杂的三维建模软件，而是接受简单的文字描述。这些描述输入 DALL-E 人工智能系统，系统会生成适当的二维图像。然后，一个定制的 Python 脚本会将这些图像转换成 STL 3D 建模文件，使其可以直接打印，无需用户额外干预。面包师可以输入 “姜饼人与详细图案”，几分钟内就能收到完整的可打印设计。

　　测试证明了该系统的多功能性。该打印机在保持精确尺寸精度的同时，成功地制作出带有复杂穿孔图案和多层图案的产品。除了饼干面团，它还能处理各种食品材料，包括蔬菜泥和基于蛋白质的配料，进一步验证了该系统对不同食品类型的适应性。

　　这项技术的意义不仅限于简单的食品打印。人工智能设计工具与集成烹饪功能的结合为自动化商业食品生产提供了可能性。该系统能效高、体积小，对于餐馆和面包店来说，无需大量技术培训即可提供定制食品。

　　研究人员认为，该系统在医疗保健领域具有特殊价值，因为对配料和份量的精确控制至关重要。这项技术可以实现自动化生产专门的饮食，同时确保质量和安全的一致性。

　　他们的工作还展示了集成加热技术在 3D 打印中的更广泛应用。通过他们的 LIG 加热系统实现的精确温度控制和能效可以使食品生产以外的制造过程受益。

　　将人工智能设计能力与实时烹饪相结合，是向无障碍自动化食品生产迈出的重要一步。通过解决限制 3D 食品打印应用的技术和可用性挑战，该系统为实现更加自动化、可定制的食品服务操作提供了一条切实可行的道路，同时还能保持高标准的安全和质量。

　　该系统的开发预示着商业厨房在个性化食品生产方式上的转变，预示着未来无需专业技术知识就能安全高效地生产复杂的定制食品。

　　来源：石墨烯网