『目前宇航員的太空食物太簡單，油脂也比較多。
曾有宇航員告訴我，說在太空時特別想吃接地氣的食物比如義大利麵等。
幹燥型義大利麵一般保質期為三年，假如能節約 60% 的食物包裝，即可給太空倉儲帶來更多擴展空間，因此量產非常有必要』
讓義大利麵可以折疊[1]，是卡內基梅隆大學計算機學院人機交互研究所與工程學院助理教授姚力寧的新成果之一。
圖 | 姚力寧《來源：姚力寧》
日前，該論文以《變形義大利麵和其他》《Morphing pasta and beyond》為題發表在Science Advances，並成為當期封面。
圖 | 當期Science Advances封面《來源：Science Advances》
姚力寧說這款義大利麵具有『三減一棒』的優勢：可減少塑料包裝浪費，可減少存儲空間，可減少運輸的碳足跡，而且味道很棒。
幹燥的義大利麵包裝袋中往往裝滿空氣，這會消耗大量塑料，在儲存和運輸時也會占用不必要的空間，從而導致更多燃料消耗和更高的排放量。
以圓形義大利麵為例，包裝中 60% 的空間都用來裝空氣。
《來源：Science Advances》
提出兼具材料創先和計算創新的方案
為此，姚力寧提出一種兼具材料創新和計算創新的解決方案。
她把義大利麵都做成平的，當用開水煮義大利麵時，義大利麵會自動形成 3D 形狀。
作為一種可持續食物，它可節省包裝空間、以及減少塑料使用。
當把 3D 義大利麵做成平的，大約可節省 60%~80% 的包裝空間。
《來源：Science Advances》
可以說，這是一個智能變形材料和可持續材料的研究。
所謂變形可控，指的是可被編程、可被運算、可被模擬。
在烹飪時，由於它是可自動觸發的智能材料，因此可折疊成事先設計好的形狀。
《來源：Science Advances》
期間，她發現到義大利麵中的凹槽，是控制形狀變形的有效方法，通過一個機械手臂操控的自動印章模式，可給面邊做很多小凹槽，從而對水滲透到食物表面的速度進行調節，然後通過水滲透的速率差值，讓義大利麵從平面形狀變成 3D 形狀。
出於對凹槽控制義大利麵形狀進行科學定量分析的想法，她和雪城大學張騰助理教授帶領的力學團隊，合作研發一款計算機多模動態物理模型。
由於涉及各種物理現象，因此要考慮數字模擬能否預先運算希望生成的 3D 形狀，比如彎曲的形狀、一朵花的形狀等。
最終，該模型揭示了基於凹槽的方法的工作機制。
《來源：Science Advances》
烹飪麵條也會產生碳足跡
該團隊將細小的凹槽，壓入僅由粗麵粉和水制成的扁平義大利麵麵團，在烹飪時可變形為管狀、螺旋狀、扭曲狀和波浪狀。
通過仔細規劃凹槽的放置位置和方式，即可控制義大利麵煮熟時形成的形狀。
圖 | 不同形狀的義大利麵《來源：Science Advances》
姚力寧認為，扁平包裝義大利麵還可降低烹飪的碳足跡。
在意大利，大約 1% 的溫室氣體排放來自烹飪義大利麵。
而扁平義大利麵比管狀義大利麵烹飪得更快，這會減少烹飪過程中的排放。
為了讓義大利麵進行變形，凹槽被巧妙地壓入光滑、平坦的麵團表面。
在沸水中，經過改良的帶有槽面的麵團，比光滑面膨脹得更小，從而可將麵團變成扭曲狀、或管狀。
常見的變形結構機制很難用於食品設計，而采用該團隊本次提出的機制，可在具有參數化表面凹槽的結構中，實現瞬態變形效果。
《來源：Science Advances》
其中，凹槽可用單一材料實現，並用低成本方法進行制造。
通過定量實驗和多物理場模擬，她發現參數化表面開槽，可引起暫時的異步膨脹或消脹，並能將扁平物體轉換為設計好的 3D 形狀。
研究中，該團隊最初和一家意大利義大利麵公司合作，使用的麵粉也來自該國。
做義大利麵，采用的是黃色粗糙麵粉，揉成麵團再加上水，並按照義大利麵的配比。
《來源：Science Advances》
做出來後，她把制作方法告訴對方，並讓該公司的義大利麵師傅也試吃麵條。
她也請來其他用戶來嘗試不變形的普通義大利麵、和變形義大利麵的口感差別，大家普遍反應口感沒有改變。
而在材料研發中，姚力寧也努力保證食物本身的原汁原味，同時保持變形以節省空間。
陶冶是是此次論文的第一作者，也是姚力寧實驗室的前訪問博後。
研究中，她攜帶扁平包裝的義大利麵，並在外邊徒步旅行。
親自測試後發現，義大利麵在包裡占據的空間很小，期間不僅沒有破損，且在便攜式野營爐上烹飪成功。
圖 | 陶冶在戶外進行義大利麵烹飪；以及陶冶正面照《來源：Science Advances、陶冶個人首頁》
國內風投已就義大利麵聯系合作
『可入地、能上天』，是這款義大利麵的另一特征。
人類去火星的旅程長達三年，期間不可能回到地球取食物。
如果我們想讓太空旅居成為現實，就要考慮身體健康，而可以帶上火星的義大利麵，便是不錯的主食來源。
圖 | 戶外烹飪義大利麵《來源：Science Advances》
當外出遠足時，可在包裡放點壓縮義大利麵來野炊。
也可在災難急救時，作為應急食物使用。
一些歐美義大利麵公司也找姚力寧談過相關合作，其中一家麵條機生產公司，希望她把實驗室技術產業化。
《來源：Science Advances》
未來也有可能進入中國，國內北方經常吃面食，煮麵條會用很多水，這時如何包裝食物、做成什麼形狀更節約水、進而節省每次煮面所需時間，就會變得十分有意義。
目前，已經有國內風投機構就該成果和她聯系。
下一步，她打算拓展食品種類。
如果面向亞洲市場，就不再局限於麵粉類食物，也可考慮蛋白質比較多的變形食物。
圖 | 溝槽樣品的制作工藝《來源：Science Advances》
以包餃子為例，我們隻需把餡放進去它就可以自己卷。
在蒸食物或烤食物時，也能讓它自己卷起來。
概括來說，這種智能材料的好處在於，可根據環境變化，比如煮制、燒烤、微波時，它不僅能變形，與此同時也無需任何額外電子電路、或其他非環保材料。
從建模角度來看，下一個挑戰將是開發更復雜和更準確的模型，未來該模型將研究義大利麵生產和烹飪技術對於材料結構的影響。
圖 | 顯微鏡圖像顯示義大利麵槽間隙隨著時間的推移，隨著條膨脹和形狀而減小《來源：Science Advances》
相關作品引起產業各界關注
在卡內基梅隆大學姚力寧的形變材料實驗室網站首頁，擺滿了團隊作品，多數已發表對應論文。
圖 | 姚力寧在卡內基梅隆大學計算機學院創建的形變材料實驗室首頁《來源：姚力寧》
如上圖的小熊，其材料機制和義大利麵一樣。
它是一種可降解生物塑料，本身來源是來自玉米，即這是以玉米為原料做的生物材料。
《來源：形變材料實驗室，卡內基梅隆大學》
同時在打印過程中，還編程進去一些變形基因屬性，這樣就是平的。
想象一下，如果這是一款家具，那就可以折平後進行運輸。
假如想讓它變成 3D 形狀，可以放在烤箱或者用吹風機吹風，總之給點熱源就能夠自動折成事先設計過的形狀，這便是它的記憶功能。
制備中還使用了 4D 打印技術，即在 3D 基礎上增加時間維度，下打印機之後還能延長時間維度，從而產生二次形變。
一些兒童玩具公司曾聯系她，希望做成兒童玩具。
比如把小人立起來，每一頁紙撕下來，折疊起來放到熱水，它能自動縫制成各種形狀。
《來源：形變材料實驗室，卡內基梅隆大學》
日本宏達汽車也曾找過姚力寧，想用 4D 打印方式做車引擎蓋前期的屏設計，即用於修改車的骨架、或包裝引擎蓋。
此前該公司每做一個新形狀都要打印一個新的 3D 模具，成本十分高昂。
如果用 4D 打印做成平面模型，一旦加熱就能生成之前設計的 3D 金蓋形狀。
一家國際著名化妝品公司曾找到姚力寧聊把塑料花作香薰的事情，即用虹吸效果把香水給吸到瓶子上邊，然後就可以散發到空氣裡。
小花和小熊都屬於4D打印，姚力寧認為這代表著未來數字生產制造的方式。
《來源：形變材料實驗室，卡內基梅隆大學》
如果沒從醫學轉到設計，就很難有今天
姚力寧本科就讀於浙大，現任浙大國際設計研究院副院長應放天是她的導師。
在申請來美國讀書時，他告訴姚力寧要對自己有想象力，後來直接申請到麻省理工學院《MIT》。
大一大二期間，姚力寧在浙大學習的是醫學，後來轉了專業。
當時報志願時，爸爸媽媽也不是非常懂，一開始隻是覺得要報一個鐵飯碗專業。
當時父母覺得醫學不錯。
而浙大的工業設計這種比較洋氣的專業，當時也沒有在內蒙古招生。
圖 | 姚力寧在介紹自己的設計《來源：姚力寧》
來到浙大之後，她還是喜歡創造性研究，後來接觸到工業設計，她覺得這個方向就是自己想要的，於是決定轉專業。
她說，如果不轉方向，也不會進入 MIT 媒體實驗室，因此她覺得在一些選擇上，要聽從自己的內心。
值得注意的是，前文的陶冶在姚力寧實驗室結束博後研究後，已經回國並加入浙大城市學院工業設計系擔任副教授，該學院是浙大下屬的獨立學院。
談及未來，姚力寧表示面對環境污染和全球變暖，她和團隊會不斷尋找可持續形變材料去改善傳統工業生產、建造、耕種、食用、出行以及穿著方式，深入拓展可持續、可降解智能變形材料的研發和應用。
-End-
參考：
1、Tao et al.,Sci. Adv7. 2021
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf4098