精确的表面切割技术通过半自动化系统实现了鱿鱼外套膜条带的动态形状变形

《Journal of Food Engineering》：Precise surface cuts enable dynamic shape morphing of squid mantle strips via semi-automated system

　　本研究利用鱿鱼触足作为天然生物材料，通过半自动化切割系统在0°、15°、30°、45°、60°、90°方向设置不同深度的切割，发现切割深度显著影响形态变化幅度：1mm切割产生30-60°弯曲，2mm切割形成超过360°的环状或螺旋形结构。热分析显示蛋白质变性温度分别为50℃、57℃和74℃，控制热处理条件使材料在脱水、收缩和纤维重组过程中产生可控形变。微观结构分析表明，切割破坏纤维-胶原连续性，增加局部孔隙率，形成各向异性收缩应力分布，最终实现形状预测。该成果为开发可编程、可持续的海鲜食品包装提供了新方法。

　　本研究探讨了鱿鱼内脏（Uroteuthis duvaucelii）作为天然生物材料的潜力，旨在通过精确的表面切割实现可控的形状变化。鱿鱼内脏因其高水分含量（80-83%）和高度各向异性纤维结构，被认为是一种理想的材料，用于研究形态变化机制。通过在不同深度和方向上进行切割，并在热处理条件下（如热水浸泡和热风干燥）激活动态形态转变，研究发现切割深度和方向对形态变化具有显著影响。深度较大的切割（如2 mm）能够诱导更明显的弯曲，而切割方向则决定了变形模式，如纵向切割导致平面弯曲，斜向切割引发螺旋扭转，而垂直切割则抑制了整体弯曲。

### 形态变化的机制

鱿鱼内脏的形态变化主要依赖于其复杂的纤维-胶原网络。在热处理过程中，蛋白质如肌球蛋白、胶原蛋白和肌动蛋白经历变性，导致水分子的释放和纤维的收缩。这些变化会引发内部应力，进而通过纤维排列方向的不同而表现出不同的形态。例如，纵向切割允许纤维在单一平面内均匀弯曲，而斜向切割则通过破坏纤维-胶原的连续性，促使纤维在不同方向上发生不同程度的收缩，从而产生扭转效果。垂直切割则由于破坏了纤维网络的完整性，导致局部区域的变形受限，仅产生轻微的弯曲。

### 热处理对形态变化的影响

研究还比较了热水浸泡（HWI）和热风干燥（HAD）对鱿鱼内脏形态变化的影响。HWI由于快速加热，使胶原蛋白迅速收缩并释放水分，从而在短时间内诱导更显著的形态变化。相比之下，HAD过程更为缓慢，导致水分逐渐蒸发，纤维收缩也较温和，因此形态变化幅度较小，但变形更为均匀。这种差异反映了不同热处理条件对材料内部应力释放和水分流失速率的影响。

### 形态变化的量化分析

为了准确评估形态变化，研究采用了两种几何模型：圆弧模型和阿基米德螺旋模型。圆弧模型用于评估小于360度的弯曲角度，而螺旋模型则用于分析超过360度的扭转角度。通过使用iPhone 14 Pro拍摄图像，并在Fiji/ImageJ软件中进行分析，研究人员能够量化变形的角度和形态特征。结果表明，切割深度是影响最终形态变化的关键因素，而切割方向则决定了变形模式。

### 微结构变化的观察

通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察鱿鱼内脏的微结构变化，研究发现切割破坏了纤维-胶原的连续性，增加了局部孔隙率，并导致材料刚度的差异。这些变化引导了各向异性收缩，从而产生弯曲或扭转。此外，X射线微计算机断层扫描（micro-CT）进一步揭示了切割对材料内部结构的影响。通过分析不同切割条件下样本的孔隙率、欧拉数和中心线曲率，研究证实了切割几何形状与形态变化之间的直接关联。

### 形态变化的预测与应用

研究结果表明，通过精确的表面切割，可以预测并控制鱿鱼内脏的形态变化。这种基于自然各向异性原理的形态控制方法，不仅有助于减少食品储存和运输体积，还为可持续食品设计提供了新的思路。此外，该方法还可能被应用于其他食品材料，如植物蛋白和谷物制品，以实现更复杂的形态变化。未来的研究可以进一步发展数学和计算模型，以预测不同切割参数下的形态变化轨迹，从而实现更精确的食品形态设计。结合半自动制造技术，这些方法可以被扩展为可重复的食品生产流程，推动形态食品在实际应用中的发展。

### 结论

本研究通过实验和分析，揭示了鱿鱼内脏在热处理条件下的形态变化机制。切割深度和方向对形态变化具有显著影响，而热处理条件则调节了这些变化的强度和持续时间。这些发现为利用天然材料进行形态食品的设计提供了理论基础和技术支持。未来的研究应致力于开发更精确的预测模型，并探索如何将这些技术应用于更广泛的食品系统，以实现更高效、可持续的食品形态控制。