Наука, скептицизм та гумор

Чи знаєте ви 3D-принтери, які "роблять" їжу? Ви коли-небудь пробували їжу з 3D друком? Хоча це здається неймовірним і взято з науково-фантастичного фільму, це вже реальний факт і вам ближче, ніж ви думали. Найближчим часом ви зможете поїсти їсти в ресторан і за допомогою окулярів віртуальної реальності вибирати свої улюблені страви, радить цифровий асистент на основі вашої історії уподобань; 3D-принтери створять ваше персоналізоване меню, а страви подаватимуть «роботи-офіціанти». Крім того, очікується, що ці 3D-принтери найближчими роками замінять мікрохвильову піч на кухнях. Сучасне суспільство не встигає приготувати їжу і вимагає великої кількості упакованих та напівготових продуктів, у яких часто надлишок цукру або солі, а також численні консерванти та жири; однак за допомогою цих нових принтерів можна готувати здоровіші страви простим способом. Але про що конкретно мова? Щоб зрозуміти, як вони працюють, та переваги, які вони можуть нам запропонувати порівняно з традиційними кухонними інструментами чи кухонними роботами, важливо спочатку з’ясувати, з чого складається 3D-друк, і трохи знати про його історію.

переформулювання
Приклади продуктів із 3D-принтером│Джерело

3D-друк складається з ряду методів «виготовлення шляхом додавання», при яких об’єкт відтворюється тривимірно із цифрової моделі шляхом накладання шарів матеріалу, що накопичується до досягнення розміру, характеристик та розробленої форми. Ці машини використовують лише необхідну сировину у вигляді порошку, рідини або ниток, які згодом плавляться або тверднуть, щоб надати остаточну форму, і на відміну від традиційних методів виробництва, їм не потрібно видаляти надлишки сировини. Цей процес є дуже перспективним, оскільки знімає необхідність економії на масштабі, забезпечує повну свободу проектування та мінімізує час, витрати, енергоспоживання та транспортні вимоги. Таким чином, 3D-принтери виготовляють складні об'єкти, дотримуючись інструкцій цифрової моделі, використовуючи автоматизоване проектування (САПР). За допомогою програми САПР на комп’ютері розробляється справжня тривимірна модель, і цей об’єкт розділяється на шари для друку по одному за допомогою адитивного процесу. Крім того, частини предмета, виготовлені з різних матеріалів з різними фізичними властивостями, можна друкувати за допомогою простого процесу складання.

Схематичне зображення реального об'єкта (a), CAD-моделі (b) та розділення в шарах для 3D-друку (c).

Перше обладнання для виробництва добавок відноситься до 1980-х рр. У 1981 році Хідео Кодама з муніципального інституту промислових досліджень Нагої, Японія, розробив два методи виготовлення тривимірної пластикової моделі з фотополімером. Через три роки Чак Халл, президент корпорації 3D Systems, розробив прототип у Кліфтоні, штат Колорадо, США, на основі процесу, який називається стереолітографія, в якому шари додають шляхом затвердіння фотополімерів ультрафіолетовим лазером. Це спрямовано до тієї частини предмета, яка повинна бути вилікувана за допомогою набору дзеркал, і здатна виробляти шматочки з великою точністю. Халл визначив процес як "систему для створення тривимірних об'єктів шляхом створення поперечного візерунка об'єкта, що формується". Основним внеском Халла став формат файлу STL (STereoLithography), який широко використовується програмним забезпеченням для 3D-друку, а також цифрові стратегії вирізання та заповнення, загальні для багатьох поточних процесів.

Сьогодні в більшості 3D-принтерів використовується технологія "моделювання плавленого осадження" (FDM), також відоме як "виготовлення плавлених ниток" (FFF), що використовує суцільну нитку з пластичного матеріалу. Екструдуючи його через сопло, ви можете намалювати 3D-шари, що складають об'єкт. Альтернативний процес - це вприскування в’яжучого, більш відоме як «Біндер-джетинг» або «Кольоровий друк»; Це дуже універсальна технологія, яка дозволяє друкувати у найрізноманітніших кольорах завдяки використанню кольорового в’яжучого, який розпилюється на порошковий шар, а потім затвердіє в поперечному перерізі. Ця технологія працює подібним чином до традиційних паперових принтерів, але використовує пластмасові смоли та порошкове покриття, а не аркуш паперу. І FDM, і технологія впорскування сполучного вже використовуються для тривимірного друку їжі.

Схема машини для моделювання плавленого осадження│Джерело

Промисловий розвиток ін’єкцій сполучного та стереолітографії розпочався у 1993 р. У Массачусетському технологічному інституті (MIT), який розробив запатентовану процедуру під назвою 3D-друк (3DP), яка тепер також відома як "струменевий друк" або "кольоровий струменевий друк".

Однак сьогодні досі немає чіткого визначення того, що таке 3D-принтер для їжі: проста машина для приготування їжі? Інструмент, який дозволяє створювати нові поєднання їжі? Пристрій, який дозволить нам створювати їжу, якої не існує? Взагалі кажучи, його можна описати як машину, здатну перетворити цифрові рецепти на їстівні та апетитні закуски. Більшість комерційних принтерів для їжі використовують варіант FDM із системою видавлення пасти через шприц; операція схожа на чорнильний принтер з однією великою форсункою, яка заливає щільний пастоподібний матеріал, який накопичується шарами, утворюючи тривимірні харчові структури. Їжа повинна бути "спечена" або "приготовлена" в окремому післяпроцесі, який може і не відбуватися в самому 3D-принтері.

Піонерами у синтезі харчових продуктів 3D стали Ход Ліпсон та Еван Малоун з Університету Корнелл (Нью-Йорк), які в 2007 році адаптували екструзійний принтер Fab @ Home для друку шоколаду, сиру, печива, селерової пасти і навіть морепродуктів. У 2010 р. Д-р Лян Хао та його колеги з Університету Ексетера (Великобританія) розробили новий метод шарування для виготовлення шоколаду під назвою “ChocALM” за допомогою високотемпературного екструдера. Їхні дослідження показали, що як швидкість видавлювання, так і швидкість та висота насадки є ключовими факторами, що дозволяють змінювати структуру, аромат та смак кінцевого продукту, так що оптимізація цих параметрів дозволяє виробляти високоякісні шоколадні цукерки, адаптовані до споживачів, тим самим сприяючи "персоналізації їжі".

3D-принтер, який використовує шоколад замість чорнила│Джерело

Шоколад та солодощі - це найпоширеніші продукти у 3D-принтерах. Так, студенти Університету Ватерлоо (Канада) розробили в 2013 році систему лазерного спікання, щоб розплавити шоколадний порошок із 3D друком та сформувати фігури великої геометричної складності, чого неможливо досягти за допомогою форм.

3D-об'єкти, надруковані шоколадною пудрою│джерело

На основі 3D-друку на шоколаді Річард Хорн розробив у 2012 році універсальний екструдер пастоподібного приводу (UPE) з ремінним приводом, який чинить тиск на багаторазові шприци. Того ж року Ральф Холлейс створив подібну машину для видавлювання різдвяного печива на основі САПР на покритий лаком папір, який потім поставив у піч для завершення їх виготовлення. 3D-друк також широко застосовується для виготовлення піци - продукту, який зазвичай готується шарами: спочатку тісто, потім томатний соус, потім моцарела і, нарешті, різні начинки. Так, студенти машинобудування з Імперського коледжу (Лондон) створили у 2014 році принтер, який дав змогу приготувати піцу маргариту всього за 20 хвилин, використовуючи три різні шприци (один для тіста, один для помідора та третій для сиру).

Екструдери для пасти, що використовуються для 3D-друку │Джерело

Деякі 3D-принтери засновані на кулінарній техніці, яка називається сферифікацією, запатентована в 1946 році в США і широко застосовується в сучасній кухні, зокрема такими відомими кухарями, як Ферран Адріа. Таким чином, змішуючи сік з альгінатом натрію та занурюючи його в холодну ванну з хлоридом кальцію, отримують сфери за допомогою «інкапсуляції» рідини, дуже подібної до рибної ікри, яка містить сік бажаного фрукта всередині . Цей прийом дозволяє за кілька секунд створити фрукти різної форми, розміру та смаку.

Їстівні фрукти, створені за допомогою 3D-друку│ Джерело

Серед основних цілей 3D-друку є розробка стійких методів виробництва продуктів харчування, щоб спробувати вирішити деякі сучасні глобальні виклики, такі як зміна клімату, зменшення водних ресурсів планети та експоненціальний приріст населення. Зокрема, інтенсивне вирощування сільськогосподарських тварин є однією з основних причин глобального потепління через неконтрольовані викиди метану, парникового газу, набагато потужнішого за діоксид вуглецю. Продовольча та сільськогосподарська організація ООН (ФАО) прогнозує, що глобальний попит на м'ясо до 2050 року зросте більш ніж на 70%, а поточні системи виробництва більше не будуть стійкими. Якщо ми не знайдемо екологічно чистих альтернатив, можливо, найближчим часом м’ясо та інші основні продукти стануть предметами розкоші через зростання попиту на культури, призначені для виробництва м’яса.

Таким чином, професор Марк Пост з Університету Маастрихта (Нідерланди) продемонстрував у 2012 році, що м’ясо, вирощене в чашці Петрі, може стати чудовою альтернативою яловичині. Наслідуючи цю ініціативу, деякі компанії виробляють штучне сире м’ясо за допомогою 3D-біопринтерів. Для цього вони спочатку збирають стовбурові клітини; коли їх годують, вони періодично розмножуються і утворюють ланцюжки, які після введення в біокасету дозволяють друкувати живу тканину в 3D. Це штучне м’ясо має ті самі біологічні характеристики, що і тварина, що виробляється твариною природним шляхом, хоча і зі значним зменшенням жиру, і воно має однаковий зовнішній вигляд і структуру, хоча його смак дещо відрізняється.

Гамбургер, виготовлений із стовбурових клітин корови cowДжерело

Найближчим часом 3D-принтери збиратимуть легкозасвоювані продукти, не тільки зберігаючи форму та смак справжньої моделі, але й збагачуючи їх специфічними білками, вітамінами або поживними речовинами та надаючи їм різноманітних та привабливих форм. Так, європейські дослідники проекту "Performance" розробили прототип принтера для виробництва персоналізованої їжі з точки зору калорійності та розміру для дітей, людей похилого віку та осіб із поганим самопочуттям. Для того, щоб їжа була смачною та привертала увагу, дослідники застосували термостійкий застигаючий засіб на рослинній основі, щоб їжу можна було переробити. Принтер працює подібно до струменевого струменя, використовуючи різні капсули, наповнені змішаною їжею (овочі, м'ясо та вуглеводи).

Нещодавно дослідник Джузеппе Скіонті з Політехнічного університету Каталонії розробив альтернативне м’ясо на основі рослинних білків, яке друкується у форматі 3D, що представляє характерну волокнисту структуру традиційних стейків. Філе містить суміш амінокислот, отриманих з білків гороху та рису, які здатні відтворювати білкові властивості яловичого філе. Друк 100 грам овочевого м'яса коштує приблизно два євро, але за рахунок масштабування процесу його індустріалізації та комерціалізації його вартість зменшиться.

На додаток до вирішення конкретних харчових потреб, 3D-друк дозволяє комахам використовувати як джерело білка. Таким чином, дизайнери проекту "Insects au Gratin" мають намір зменшити споживання м'яса, замінивши його комахами, які, незважаючи на те, що їх регулярно відкидають у західній культурі, більш шанобливо ставляться до навколишнього середовища, оскільки вони виробляють менше метану і споживають менше води. Зовнішній вигляд їжі впливає на прийняття та досвід смаку. Інші джерела, такі як горіхи, водорості, ряска, люпин, буряк, насіння, спори, дріжджі тощо. вже впроваджуються як альтернативні інгредієнти.

Динозаври зі шпинату, виготовлені за допомогою 3D-друку│ Джерело

Але яке майбутнє тривимірного друку їжі? Незважаючи на різні сучасні програми та великий інтерес, ця технологія тривимірного друку ще не повністю розроблена в комерційних цілях, оскільки вимагає подальшої обробки: їжу необхідно готувати після друку. Крім того, це не дозволяє дозувати порошкоподібні інгредієнти, а отримані текстури не порівнянні з текстурами, отриманими традиційними способами приготування. Однак можна очікувати, що штучні вироби, виготовлені за допомогою цієї техніки, будуть дешевшими та здоровішими, ніж ті, що отримуються безпосередньо від тварин, і мають додаткові переваги, пов’язані з можливістю приготування їжі на замовлення або “персоналізованого харчування”. Ресторани зможуть збирати інформацію про харчові звички клієнтів та харчові проблеми та розробляти страви з урахуванням їх потреб.

Очікується, що найближчим часом 3D-принтери стануть повсякденними кухонними комбайнами. Для цього їх можна поєднувати з лазерним приготуванням, точним і регульованим методом, який використовує тепло синіх та інфрачервоних лазерів для приготування їжі. Коротше кажучи, 3D-друк їжі в основному допоможе нам харчуватися краще та з меншою кількістю оброблених продуктів. Стійкі та поживні альтернативні продукти можуть бути розроблені з новими текстурними та смаковими профілями, і здоров’я споживачів, і навколишнє середовище зможуть отримати вигоду від цієї нової технології, яку деякі вже називали "четвертою промисловою революцією".

Наукові посилання та додаткова інформація:

Бауер, Дж. (2015). «3D-друк: Вступ у світ тривимірного друку» Редакція Amazon Media.

Еренкранц, М. (2014) "Їжа для 3D-друку може прийти в ресторани незабаром, якщо лідер макаронів Барілла має свій шлях". Доступно в Інтернеті за адресою: http://www.idigitaltimes.com/3d-printingfood-may-come-restaurants-soon-if-pasta-leaderbarilla-has-its-way-368075

Фукучі, К; Казухіро, Дж .; Томіяма, А.; Такао, С. (2012). "Лазерне приготування: нова кулінарна техніка для сухого нагрівання за допомогою лазерного різака та технології зору". У: CEA'12. Матеріали семінару ACM Multimedia 2012 з питань мультимедіа для приготування їжі та їжі. ACM: Нью-Йорк, с. 55-58.

Хао, Л.; Меллор, С.; Моряк, О.; Хендерсон, Дж. Сьюелл, Н.; та Слоун, М. (2010). "Характеристика матеріалу та розробка процесу для виробництва шару шоколадної добавки". У: Віртуальне та фізичне прототипування, т. 5, nº. 2 с. 57-64

Якобс, А. (2013). "Вечеря друкується". Нью-Йорк Таймс. Доступно в Інтернеті за адресою: https://www.nytimes.com/2013/09/22/opinion/sunday/dinner-is-printed.html

Ліпсон, Х.; Курман М. (2013). «Цифрова кухня». В: Виготовлено. Новий світ 3D-друку. Вілі: Індіанаполіс, с. 129-133

Марсед Адрія, Дж. (2015). Оцінка харчових рецептур для 3D друку. Проект останнього ступеня з харчової науки та технологій. Політехнічний університет Валенсії.

Рамірес, П.; Лопес, Дж. (2011). Адитивні технології, більш широке поняття, ніж швидке створення прототипів. XV Міжнародний конгрес проектної інженерії. Уеска.

Ван Менсвоорт, К.; Гривінк, H-J. (2014). "Поварена книга з м’яса In vitro". Видавництво Next Nature Network & BIS: Амстердам.