摘要：3D打印是新產(chǎn)業(yè)革命背景下的數(shù)字化制作標(biāo)志性技術(shù)之一，未來將會對人類生產(chǎn)制作方式、生活消費(fèi)方式、組織管理方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。3D打印與傳統(tǒng)制作方式不同的特征，及其理論上“無孔不入”的打印可能，隨著3D打印技術(shù)對人類社會生產(chǎn)生活的滲透，深深觸動了科技界、制造業(yè)的敏感神經(jīng)。它的發(fā)展前景已不僅僅局限于工業(yè)制作，餐飲行業(yè)也正在成為它下一個攻占的目標(biāo)。今日，縱然3D打印技術(shù)的應(yīng)用還未在人類社會廣泛鋪開，但正如上世紀(jì)90年代計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還很青澀稚嫩一樣，誰又能否定下一個屬于3D打印技術(shù)的時代已然悄然來臨。

關(guān)鍵詞：3D打??；食物；制造業(yè)

一、引言

3D打?。?D printing，又稱增材制作技術(shù)或激光堆積型技術(shù)）是一種快速成型技術(shù)，它以數(shù)字化模型為基礎(chǔ)，借助3D輔助設(shè)計軟件（如CAD）在電腦中建立起三維模型，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式構(gòu)造物體，因為分層加工的過程與噴墨打印十分相似，所以也可以直接理解為“噴墨”，但其與傳統(tǒng)打印機(jī)最大的區(qū)別就是其使用的“油墨”可以非常多樣，從有機(jī)物到無機(jī)物，幾乎所有的材料都可以用來進(jìn)行3D打印。

由于3D打印在制作工藝方面的創(chuàng)新，被認(rèn)為是“第三次工業(yè)革命的重要生產(chǎn)工具”。3D打印技術(shù)早在上世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)出現(xiàn)，但由于價格昂貴、技術(shù)不成熟，早期并沒有得到推廣普及。經(jīng)過20多年的發(fā)展，該技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)更加成熟、精確、價格合理。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到許多學(xué)科領(lǐng)域：工程師和工業(yè)設(shè)計師利用3D打印將設(shè)計方案轉(zhuǎn)換為原型并測試；外科醫(yī)生使用3D打印制作器官模型及協(xié)助策劃復(fù)雜的手術(shù)方案；考古學(xué)家利用3D打印制作珍貴文物的復(fù)制品，并在此基礎(chǔ)上開展研究，這樣的創(chuàng)新應(yīng)用正在不斷進(jìn)入大眾的視野。

二、3D打印技術(shù)在食品制作行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，3D打印技術(shù)在食品制作領(lǐng)域的應(yīng)用主要是簡單的甜品和不需復(fù)雜烹飪加工的主副食。

（一）3D打印技術(shù)在甜品制作的應(yīng)用

英國?？巳卮髮W(xué)研究人員于2011年就推出了世界首臺3D巧克力打印機(jī)原型。與普通噴墨打印機(jī)的原理相似，3D巧克力打印機(jī)的工作原理也是掃描、分層加工、出型等，而它使用的“油墨”則是液態(tài)巧克力，打印出來的成品則包羅萬象，從巧克力食物到巧克力日用品，乃至巧克力服裝。這種機(jī)器由控制電腦、自動化食材注射器、輸送裝置幾部分組成，使用者首先在電腦預(yù)裝的100多種立體形狀中進(jìn)行選擇，點擊“打印”之后注射器上的噴頭就會將食材均勻地噴射出來，以逐行逐層打印的方式制作立體小甜點。這臺機(jī)器現(xiàn)在的售價為上千歐元，但隨著近年3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展勢頭，筆者預(yù)計5年內(nèi)這樣一臺機(jī)器的價格能降至約幾百歐元。

這種機(jī)器存在的最大優(yōu)勢在于能根據(jù)使用者的設(shè)想制作任何形狀的甜品類食物。進(jìn)一步來想，3D打印機(jī)有助于利用全新食材，便捷地制作非傳統(tǒng)食品。比如食品加工者從藻類、昆蟲中提取蛋白質(zhì)，而后“打印”成消費(fèi)者想要的各種形狀的高蛋白含量營養(yǎng)食品。

（二）3D打印技術(shù)在主副食制作的應(yīng)用

目前，3D打印技術(shù)在我們生活常見食品的制作上也有了技術(shù)突破，在市場上得到了初步應(yīng)用。

2013年12月，西班牙自然機(jī)器公司（Natural Machines）發(fā)布了一款3D食物打印概念機(jī)，讓人們無須滿身大汗的在爐火前烹煮，輕輕松松就能制作出美味食品。這個名為“Foodini”的3D打印機(jī)是一款融“技術(shù)、食物、藝術(shù)和設(shè)計”于一身的產(chǎn)品，能夠制作漢堡、意大利面和各類蛋糕等多種食物。Foodini內(nèi)設(shè)的五個膠囊可用來儲存不同食材，就如同普通打印機(jī)裝有不同顏色的墨盒一般。它所制作出的食物形狀、大小和用量都由電腦操控。此外，用戶還能通過Foodini自主決定食物的形狀，不僅能做出扁平的餅干，也能完成“高大”的巧克力塔，甚至還能在食物上完成卡通人物等私人定制造型。

Foodini目前仍處于測試階段，預(yù)計2014年年中會在英國上市，售價為835英鎊（約8400元人民幣）。

（三）3D打印技術(shù)在航天食品中的應(yīng)用

隨著人類載人航天經(jīng)驗的逐漸增加，太空食品不斷改進(jìn)，質(zhì)量也有了很大提高。尤其是復(fù)水食品的出現(xiàn)，使太空食品告別了單一的牙膏式流體，開始進(jìn)入食品供應(yīng)豐富多彩的時代。但是食品花樣和種類受到航天器載量、體積以及食物儲存時間的限制，仍有較多不便。美國國家航空航天局（NASA）為載人太空遠(yuǎn)航，如探索火星可能持續(xù)數(shù)年的任務(wù)而必須準(zhǔn)備豐富且充足的食物。對于如何解決食物多樣化和長期儲存的問題，NASA應(yīng)用到了3D打印技術(shù)。

2013年5月，NASA選中機(jī)械工程師 Anjan Contractor和他總部位于得克薩斯州的系統(tǒng)和材料研究公司（Systems Materials Research Corporation），向其投資12.5萬美元，研發(fā)能為宇航員制作“營養(yǎng)可口”并能長期儲存食品的3D打印機(jī)，以改善宇航員枯燥單一的膳食條件。該公司計劃把所有做進(jìn)宇航員食品的營養(yǎng)成分，例如蛋白質(zhì)和碳水化合物，都以粉末形式儲存在不同的“墨盒”中，設(shè)計保質(zhì)期最長可達(dá)30年。然后3D打印機(jī)將按照“數(shù)字菜譜”混合各種粉末，制作色香味俱全的食品。

三、未來3D打印技術(shù)在食品制造業(yè)的應(yīng)用設(shè)想

食物是由碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)或水構(gòu)成，能夠藉進(jìn)食或是飲用為人類或者生物提供營養(yǎng)的物質(zhì)。通常我們?nèi)祟愒谏钪邪咽澄锓譃橹魇澈透笔硟蓚€大類。

（一）未來3D打印技術(shù)在主食中的應(yīng)用設(shè)想

主食指傳統(tǒng)餐桌上的主要食物，是所需能量的主要來源。由于主食主要攝入碳水化合物特別是淀粉，因此以淀粉為主要成分的稻米、小麥、玉米等谷物，以及土豆、甘薯等塊莖類食物被不同地域的人當(dāng)作主食。3D打印技術(shù)在主食中的應(yīng)用較為簡單，設(shè)想未來在3D打印機(jī)“墨盒”制作的過程中，淀粉類的谷物及塊莖類食物都可以研磨成細(xì)微的粉狀。在使用時，利用噴頭將粉末與水、油等混合，再通過堆棧、烘焙等一系列設(shè)計加工即可成型?？梢韵胂螅?D打印技術(shù)在主食類食品制作上的運(yùn)用，對比傳統(tǒng)儲存——制作的方式優(yōu)勢非常大，無論是米飯、面條還是饅頭等各種只要我們能想象到的主食，都不需要分類儲存大米、面粉、玉米等原材料，可以直接通過高濃度壓縮、封閉的多個墨盒來儲存，并一體化制作，既方便攜帶，又可以長期儲存保質(zhì)。

（二）未來3D打印技術(shù)在副食中的應(yīng)用設(shè)想

副食就是指除了米、面等主食以外，雞鴨魚肉、水果蔬菜等不是主食的食品。

1、3D打印魚禽肉。在3D打印技術(shù)還未成熟之前，科學(xué)家們已經(jīng)開始嘗試各種方法來人工合成肉類。但是無論是形狀還是色澤、口感，都與真實的肉類相差甚遠(yuǎn)?，F(xiàn)在3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，讓人們看到了新的曙光。2012年4月份，德國斯圖加特夫瑯禾費(fèi)研究所的研究人員成功利用3D打印技術(shù)構(gòu)造不規(guī)則模型的技術(shù)優(yōu)勢打印出人造血管。而美國賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家受到德國研究人員的啟發(fā)，試圖使用3D打印技術(shù)在糖類物質(zhì)構(gòu)成的框架上打印出人造肉，并使得鮮肉組織的口感與真肉相近。

其工作原理是將肉由內(nèi)向外“打印”出來。先“打印”出脈管系統(tǒng)，脈管依附于糖“框架”進(jìn)行固定，然后圍繞著這些脈管系統(tǒng)逐層打印肉細(xì)胞單元，肉就會圍繞著這些脈管從內(nèi)向外擴(kuò)展成任意想要的形狀。按照設(shè)想，這種技術(shù)能夠培育出具有真實肉紋理及口感特點的人造肉。除此之外，該技術(shù)還可以用來打印出帶脈管組織的人造器官，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)界已經(jīng)在3D打印器官上取得了重大突破。

目前，科學(xué)家們正在努力開發(fā)這種既十分剛性又能以三維圓柱細(xì)絲形式穩(wěn)定存在的糖類混合材料，而且這種材料還要易溶于水并且對細(xì)胞無毒副作用。雖然目前理論界還有許多機(jī)理尚不十分明了，但深入地研究下去肯定會收到令人興奮的結(jié)果。

2、3D打印蔬菜水果類。

根據(jù)食用位置的不同，我們可以將蔬菜水果籠統(tǒng)的分為根莖類（如蘿卜、萵筍等）、葉類（如白菜、菠菜等）和果類（黃瓜、蘋果等）。其中根莖類和果類3D打印的理論難度較小，一般都為規(guī)則的圓柱體或者橢球體。而且，在使用時只需考慮其食用目的，不用考慮留種培育，這樣就不需要完全一模一樣的復(fù)制原目標(biāo)，只需要培養(yǎng)出大量的果肉細(xì)胞并加工制作成墨盒，在使用時打印出可食用果肉部分即可。這樣，在未來3D打印應(yīng)用中，可以在新型糖類框架和脈管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用不同的果肉細(xì)胞墨盒從內(nèi)而外打印出任何使用者想要的根莖類和果類的蔬菜水果。

葉類蔬菜的打印難度對比根莖類和果類較為復(fù)雜。從形狀上來講，葉類蔬菜形狀不規(guī)則、組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且不同的葉類蔬菜之間差異性比較大，難以直接復(fù)制。但是如果把葉類蔬菜的結(jié)構(gòu)拆開，再細(xì)分為莖和葉兩部分，這樣大部分蔬菜的結(jié)構(gòu)就簡單明了和一致化了，如芹菜可分為芹菜莖及芹菜葉，白菜可分為白菜莖和白菜葉等。除極少數(shù)以花器或肥嫩的花枝多層復(fù)合卷曲構(gòu)成產(chǎn)品的花菜類，如西蘭花難以高精度打印外，其余蔬菜都可以通過拆分莖、葉逐個打印，而后以組合還原的方式來復(fù)制出任何使用者想要的葉類蔬菜。

總之，3D打印技術(shù)在食品制作領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)應(yīng)該傾向于原材料的儲存還原、加工造型和冷加工食品的制作，如需進(jìn)一步自動制作成品菜肴，則需要其他種類的科技設(shè)備進(jìn)行配合。

四、未來3D打印技術(shù)在食品制造業(yè)應(yīng)用的前景分析

3D打印機(jī)多年來一直在制造加工領(lǐng)域默默發(fā)揮著作用，尤其是近年來計算機(jī)能力的不斷提高和材料技術(shù)的不斷突破，以及其他配套技術(shù)的不斷進(jìn)步，使它愈加發(fā)揮優(yōu)勢，進(jìn)一步拓展應(yīng)用到了其它領(lǐng)域和行業(yè)。相比其他傳統(tǒng)制作加工食品技術(shù)，3D打印至少有以下優(yōu)點：

一是加工簡單，周期縮短。機(jī)械操作對比手工操作在重復(fù)性工作上具有天然優(yōu)勢，它可以大幅度縮短工期、減少人工勞動力，如制作主食類食物，人們在3D打印成品的基礎(chǔ)上只需要少量加工就可以進(jìn)食，大大提高了工效。

二是節(jié)省原料，費(fèi)用降低。傳統(tǒng)制作加工是減材制作，一般都會有10%-20%的原材料浪費(fèi)，而3D打印是增材制作，沒有其它復(fù)雜的工序，材料基本是“按需配給”，大大節(jié)省了人力物力，降低了成本。

三是有利于制造復(fù)雜、特殊的食品。3D打印擅長制作個性化、復(fù)雜化和高難度的物體。打印一個即使是復(fù)雜程度難以想象的特殊物體，也并不比打印一個外形簡單的長方體消耗更多的時間和成本。這恰好可以滿足當(dāng)前社會人類追求個性化、私人定制的趨勢，同時也與傳統(tǒng)制作批量化、規(guī)模化的特點形成互補(bǔ)。

四是便于長期儲存、節(jié)省空間。3D打印技術(shù)采用的墨盒可以對基本食物單元如巧克力、蛋白質(zhì)、碳水化合物、肉細(xì)胞等進(jìn)行高濃度、全封閉的壓縮，這種儲存方式使得可以將相同構(gòu)成的不同物體進(jìn)行合并，需要時再還原為不同的原材料，即方便攜帶，又節(jié)約資源，而且還能擁有超長的儲存期。

五是對制作人員的操作技能要求不高。3D打印由計算機(jī)操縱讀取事先已經(jīng)形成并存儲好的圖紙文件，而后進(jìn)行噴制打印，即使再復(fù)雜的物體，對制作人員的操作技能要求也不會很高。

六是不受場地和環(huán)境限制，能實現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。3D打印只要有適宜的原材料，不用專門的環(huán)境和場地，就能根據(jù)圖紙打印出實物。甚至可以由計算機(jī)遠(yuǎn)程通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖紙文件，連接目標(biāo)3D打印機(jī)進(jìn)行制作食物。

雖然有以上諸多優(yōu)點，但受制于目前的技術(shù)水平以及材料、成本等原因，3D打印制作食物，還存在不少局限性。

一是可用材料不多，打印種類有限。某種意義上講，3D打印的難度不是在其技術(shù)本身，材料才是3D打印最大的技術(shù)瓶頸。它直接影響打印目標(biāo)的成型速度以及物理性能、化學(xué)性能和還原程度，因此3D打印制作食物的應(yīng)用還有待于打印材料的突破。目前材料研發(fā)大大落后于市場需求，3D打印食品可選的材料并不多，導(dǎo)致“有鍋無米”。

二是打印精度不夠，產(chǎn)品質(zhì)量不好。3D打印是層層疊加形成產(chǎn)品，打印分層越細(xì)、切片越多、厚度越薄，則產(chǎn)品制作越精細(xì)、性能越好、還原越逼真。但由于現(xiàn)在技術(shù)限制，3D打印機(jī)的成型精度還比較有限，其分層切片厚度不可能很薄，分辨率也不高，這就影響了性能和外觀，造成打印成品表面粗糙、還原度低，制成的食品外形不好。況且切片厚度太薄，層數(shù)太多，送絲或噴擠速度即打印速度如果不能跟上，將致使打印速度減慢，生產(chǎn)效率下降，成本上升。

三是前期準(zhǔn)備要求高，后期處理不能缺少。3D打印前要先獲得產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和3D建模，要求設(shè)計人員除了能熟練應(yīng)用計算機(jī)和相應(yīng)設(shè)計軟件外，還必須具備工程設(shè)計和結(jié)構(gòu)方面的知識。另外，打印出的食品有時仍需進(jìn)行烘焙、蒸煮、煎炸或拼接等后期工作。

回憶上個世紀(jì)電腦技術(shù)的發(fā)展過程，當(dāng)時很多人質(zhì)疑個人擁有電腦的必要性。但最終歷史證明，電腦進(jìn)入了人類社會生活的方方面面，并徹底改變了世界?？梢灶A(yù)見，3D打印技術(shù)也會像電腦、互聯(lián)網(wǎng)一樣進(jìn)入我們的生活。雖然目前3D打印技術(shù)在食品制作上的應(yīng)用還面臨著很多困難，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多我們現(xiàn)在擔(dān)心的問題都會迎刃而解。

（作者通訊地址：武警后勤學(xué)院，天津 300000）