謝桂林 趙 奇 郭一霏 王 超 毛 倩,3

(1.遼寧大學(xué)輕型產(chǎn)業(yè)學(xué)院，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學(xué)醫(yī)學(xué)與生物信息工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110169；3.長春大學(xué)農(nóng)產(chǎn)品深加工省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130022)

食品質(zhì)地是通過視覺、聽覺、觸覺、肌肉運(yùn)動(dòng)知覺等來感知食品的所有機(jī)械特性(包括幾何尺寸和表面特性)，用來表示與食品組織結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)的物理量，在食品物性學(xué)中被廣泛用來表示食品的組織狀態(tài)、口感及美味感覺等[1]。仿生咀嚼裝置即通過模擬人類口腔對(duì)食物進(jìn)行咀嚼的裝置，在食品工業(yè)中常用其來進(jìn)行食品質(zhì)地評(píng)價(jià)。目前食品質(zhì)地評(píng)價(jià)方法主要包括感官評(píng)價(jià)法和儀器測(cè)量法。感官評(píng)價(jià)法一般以色澤、質(zhì)地、滋味和氣味為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其試驗(yàn)結(jié)果最接近于食品本身質(zhì)地性質(zhì)。但個(gè)體和試驗(yàn)環(huán)境的差異會(huì)使評(píng)價(jià)結(jié)果有一定的主觀性和局限性，離散程度大，很難對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行客觀和準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[2]。儀器測(cè)量法通常是使用質(zhì)構(gòu)儀配備不同形狀的壓頭對(duì)食品物料進(jìn)行杵壓，從而獲取食品質(zhì)地特性。與感官評(píng)價(jià)法相比，儀器測(cè)量法具有客觀、精確、結(jié)果可量化、靈敏性高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是，質(zhì)構(gòu)儀與人類口腔環(huán)境特征相差較大，難以真實(shí)模擬口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)情況，因此儀器測(cè)量法獲得的結(jié)果對(duì)于食品在實(shí)際口腔中的質(zhì)地變化描述是不準(zhǔn)確的。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展及人們對(duì)食品品質(zhì)的追求，相關(guān)人員開展了關(guān)于仿生咀嚼裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。文章擬結(jié)合國內(nèi)外研究進(jìn)展，對(duì)仿生咀嚼裝置的理論模擬、裝置研發(fā)的應(yīng)用進(jìn)行綜述，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望，旨在為仿生咀嚼裝置的深入研究提供依據(jù)。

1 仿生咀嚼模型

仿生咀嚼模型是當(dāng)前仿生咀嚼裝置研究的基礎(chǔ)。Franks等[4]利用三維建模軟件設(shè)計(jì)仿生咀嚼模型來重現(xiàn)人類口腔上下頜咀嚼行為，模擬下頜運(yùn)動(dòng)，測(cè)定咀嚼效率、咀嚼力等參數(shù)。仿生咀嚼模型基于機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真來優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)性能[5-6]。構(gòu)建仿生咀嚼模型能夠縮短裝置設(shè)計(jì)時(shí)間，提升設(shè)計(jì)效率，提高裝置可靠性和穩(wěn)定性，最終得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)品[7]。目前仿生咀嚼模型的研究主要有六自由度咀嚼機(jī)器人和少自由度咀嚼機(jī)器人。

1.1 六自由度咀嚼機(jī)器人

六自由度咀嚼機(jī)器人即機(jī)器人處于咀嚼狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在空間中具有6個(gè)自由度[8-9]。六自由度機(jī)器人由靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)及運(yùn)動(dòng)支鏈組成，一般以上頜骨為靜平臺(tái)，下頜骨為動(dòng)平臺(tái)。通過分析人類口腔咀嚼系統(tǒng)的生物力學(xué)特性，在三維建模軟件中構(gòu)建六自由度咀嚼機(jī)器人，模擬人類口腔運(yùn)動(dòng)的實(shí)際環(huán)境，對(duì)仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析及有限元靜力學(xué)分析。

1.1.1 仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人 下頜作為人類面部重要骨骼，具有進(jìn)食、說話、面部動(dòng)作等功能。人類下頜有3種運(yùn)動(dòng)模式：張開/咬合，向前/向后和向左/向右。通過這3種運(yùn)動(dòng)模式，人類可以咀嚼食物或發(fā)聲[10]。在咀嚼食物的周期性過程中，正常人類下頜邊緣運(yùn)動(dòng)軌跡幅度范圍為20～30 mm，而下頜運(yùn)動(dòng)則取決于食物本身形狀和質(zhì)地[11-12]。

仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的研究主要集中在下頜運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真以及下頜康復(fù)等領(lǐng)域。以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建的仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)桿一般兩兩對(duì)稱。王藝博[13]構(gòu)建了6-SPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿人類下頜機(jī)器人，其線性驅(qū)動(dòng)器承受的最大力為179.7 N。李曉鋒等[14]研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的驅(qū)動(dòng)桿長度分別為215，184，183 mm。程秀芳等[15]設(shè)計(jì)的仿下頜康復(fù)機(jī)器人可根據(jù)患者坐姿身高、顱骨長度、下頜骨長度等進(jìn)行調(diào)節(jié)，能滿足患者在康復(fù)前、后期的不同訓(xùn)練要求。劉同占等[16-17]充分考慮到下頜系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)肌肉分布不對(duì)稱、作用力方向不同及上下頜連接點(diǎn)不共面的生物力學(xué)特性，提出了一種基于Stewart平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人(圖1)。這類機(jī)器人皆選擇電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)，通過滑塊位置變化帶動(dòng)模擬咀嚼肌肉的支鏈實(shí)現(xiàn)下頜平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；ADAMS軟件仿真下頜運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則張合運(yùn)動(dòng)、咬合、左側(cè)咀嚼、常規(guī)張合運(yùn)動(dòng)、右側(cè)咀嚼，參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍由IP>LCP>LMP優(yōu)化為IP>LMP>LCP，最大咬合力約500 N。宋佳[18]進(jìn)行了豎直切割、水平研磨、左側(cè)壓碎運(yùn)動(dòng)的仿真分析，LCP與RCP最大位移量分別為12.8，15.7 mm，參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍為IP>LMP>LCP，IP>RMP>RCP。以上機(jī)器人均能實(shí)現(xiàn)人類下頜運(yùn)動(dòng)的既定軌跡和咬合力要求。

1.球副 2.末端執(zhí)行器 3.導(dǎo)軌 4.電機(jī) 5.虎克鉸 6.驅(qū)動(dòng)支鏈 7.絲杠螺母 8.絲杠

1.1.2 其他咀嚼機(jī)器人 仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)器人主要模擬人類口腔下頜運(yùn)動(dòng)，再現(xiàn)下頜運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)人類上、下頜咀嚼的狀態(tài)研究較少。而早期的咀嚼模擬器僅研究驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和簡單模擬，未分析模型的速度、加速度、力，仿真性簡單。萇占波等[19-20]將復(fù)雜的咀嚼肌簡化成由直線驅(qū)動(dòng)器模擬的六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)(圖2)，能模擬下頜骨功能。

1.直線驅(qū)動(dòng)器 2.定平臺(tái) 3.動(dòng)平臺(tái)

近年來研究者在咀嚼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、工作空間(連桿長度等)、上位機(jī)控制方向進(jìn)行了不同方式的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。例如應(yīng)用松岡神經(jīng)振蕩器驅(qū)動(dòng)其關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，模擬驗(yàn)證機(jī)器人咀嚼不同食物的運(yùn)動(dòng)軌跡和咬合力[21]。雷孟冬[22]以滾珠絲桿為驅(qū)動(dòng)桿，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力為200 N，Vmax為0.007 5 m/s時(shí)，咀嚼力最大為260 N。王加森[23]設(shè)計(jì)了將上頜骨更換為不同探頭來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同食品的質(zhì)地評(píng)價(jià)。秦文龍[24]以球體直徑為5 mm的桿件模擬髁突，模型在彈性元件彈簧系數(shù)為10～50 N/mm時(shí)具有穩(wěn)定性。Tahir等[25]開發(fā)了液壓驅(qū)動(dòng)的Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)(PKM)咀嚼機(jī)器人，可在矢狀面、水平面和垂直面平移和旋轉(zhuǎn)。陳根祿[26]比較了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程位姿曲線與ADAMS仿真分析曲線，并驗(yàn)證其可行性。以上咀嚼機(jī)器人的理論模擬大多以上頜骨為靜平臺(tái)，下頜骨為動(dòng)平臺(tái)來完成咀嚼運(yùn)動(dòng)。但也有關(guān)于將上頜骨和下頜骨都作為動(dòng)平臺(tái)的研究[27]，其上、下頜獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，共同實(shí)現(xiàn)咬合咀嚼功能。

1.2 少自由度咀嚼機(jī)器人

以六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的咀嚼機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高且控制困難，為了使咀嚼機(jī)器人成本低廉，便于控制和使用，設(shè)計(jì)了少自由度咀嚼機(jī)器人。少自由度咀嚼機(jī)器人是一類以自由度<6的并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成的咀嚼機(jī)器人[28-29]，其驅(qū)動(dòng)方式主要包括連桿、滾珠絲桿及繩索。王倩竹[30]基于四桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以彈簧作為減震器模擬咀嚼。謝高鵬[31]以曲柄搖桿驅(qū)動(dòng)，配以橡膠舌頭、唾液裝置、溫濕度系統(tǒng)來提升模型仿生性。吳范徐齊等[32]構(gòu)建的機(jī)器人由1條從動(dòng)驅(qū)鏈約束3條主動(dòng)支鏈，其下頜模型置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)為一體。溫海營等[33]選擇電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人開、閉口運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.735 s。任杰[34]利用繩索牽引模擬咀嚼肌，點(diǎn)接觸高副模擬人體顳下頜關(guān)節(jié)，氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)構(gòu)建仿下頜運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2 仿生咀嚼裝置

仿生咀嚼裝置的研究始于20世紀(jì)90年代，是一種基于人體咀嚼系統(tǒng)的機(jī)械模擬器。日本早稻田大學(xué)自1987年開始研究咀嚼機(jī)器人WJ系列，主要用于口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)困難人群的治療。根據(jù)牙科生理學(xué)，Takanobu等[35]開發(fā)了WJ1～WJ5系列口腔咀嚼機(jī)器人，該機(jī)器人系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器和控制子系統(tǒng)組成。近年來，仿生咀嚼裝置也被應(yīng)用于食品領(lǐng)域，主要包括食品咀嚼模擬器和仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀。

2.1 食品咀嚼模擬器

食品咀嚼模擬器是指模擬人類口腔系統(tǒng)咀嚼，能夠在咀嚼過程中收集食品顆粒，分析食品屬性特點(diǎn)的一類裝置。近年來，食品咀嚼模擬器的研究主要包括機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化、仿生舌的添加及咀嚼效能評(píng)定。

2.1.1 機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化 Meyer等[36]設(shè)計(jì)了由滑輪牽動(dòng)繩索模擬主要咀嚼肌的靜態(tài)下頜模擬器，該裝置能使用PM傳感器測(cè)量咬合力，但存在肌肉群分布不平衡的問題，可能會(huì)導(dǎo)致裝置不穩(wěn)定。為提高裝置的穩(wěn)定性和仿生性，后續(xù)設(shè)計(jì)的咀嚼模擬器對(duì)機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，主要包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)和下頜運(yùn)動(dòng)。

咀嚼模擬器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化主要包括驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)部件的位移范圍、速度及加速度優(yōu)化，以此來適應(yīng)咀嚼不同質(zhì)地的食品或者接近于人體口腔咀嚼系統(tǒng)，提高機(jī)構(gòu)仿生性。Xu等[37]研制了以連桿驅(qū)動(dòng)的咀嚼模擬器，由上下頜骨、放大器、計(jì)算機(jī)等組成，能通過限制電機(jī)扭矩適應(yīng)不同食物質(zhì)地。同時(shí)，Xu等[38]還設(shè)計(jì)了由旋轉(zhuǎn)電機(jī)、齒輪減速傳動(dòng)系統(tǒng)和絲杠組成的并行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最終驅(qū)動(dòng)力設(shè)定為200 N。Wen等[39]的設(shè)計(jì)由執(zhí)行器、上頜骨單元、下頜骨單元和底座組成，其下切牙點(diǎn)軌跡與人吻合較好，移動(dòng)關(guān)節(jié)最大位移、速度和加速度分別為45 mm、250 mm/s和2 778 mm/s2。湯文杰[40]制作了以6RSS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的咀嚼模擬器，并分析了裝置的角度、角速度和角加速度。Sun等[41]研制的六連桿仿生咀嚼裝置，能在咀嚼不同食物過程中實(shí)現(xiàn)咀嚼速度和咀嚼力的快速協(xié)調(diào)。

優(yōu)化下頜運(yùn)動(dòng)有助于更精確地模擬人類口腔運(yùn)動(dòng)。測(cè)量裝置下頜骨下切牙點(diǎn)的軌跡，與人類下切牙點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡一致。杜婧[42]設(shè)計(jì)了以滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的仿下頜運(yùn)動(dòng)裝置，能模擬下頜的小開頜、大開頜、最大開頜運(yùn)動(dòng)。溫海營[43]得到了下頜切點(diǎn)張口、前伸、左右側(cè)運(yùn)動(dòng)距離最大值分別為52，20，18 mm，且具有良好仿生性。Wang等[44]研究表明，位置控制系統(tǒng)樣機(jī)門牙軌跡(開合和左側(cè)咀嚼)裝置可用于評(píng)價(jià)食物咀嚼的組織特性。Kalani等[45]開發(fā)了能利用表面肌電信號(hào)(sEMG)產(chǎn)生實(shí)時(shí)咀嚼軌跡的咀嚼模擬器，能生成一個(gè)平滑連續(xù)的軌跡，咀嚼階段、時(shí)間間隔、試驗(yàn)、被試者的平均識(shí)別率為(86.36±5.20)%。

2.1.2 仿生舌的添加 舌頭是參與人類口腔咀嚼運(yùn)動(dòng)的重要器官。Liu等[46]研究的仿生舌檢測(cè)裝置由提升裝置、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集手柄和仿生舌壓頭組成，模擬并分析了舌頭的4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(平躺狀態(tài)、凹陷狀態(tài)、隆起狀態(tài)和翻轉(zhuǎn)狀態(tài))。韓敬虎[47]設(shè)計(jì)了以6-PSS型Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的咀嚼吞咽一體化裝置。該吞咽機(jī)構(gòu)由口腔、記憶性塑膠材料制作的仿生舌、會(huì)厭、仿生食道組成，并在咀嚼基礎(chǔ)上添加了吞咽步驟，真實(shí)地再現(xiàn)了人類咀嚼吞咽過程。

2.1.3 咀嚼效能的評(píng)定 咀嚼效能是指在一定咀嚼次數(shù)下將定量食物咀嚼的程度，可用于衡量咀嚼模擬器的咀嚼能力。咀嚼效能一般以粒度、d50值(表明食物破碎程度)等參數(shù)來表示[48]。Salles等[49]開發(fā)的咀嚼模擬器由咀嚼部分、電子控制箱和計(jì)算機(jī)組成，最大咬合力(250，300，350 N)咀嚼花生4，8個(gè)周期，裝置能通過施加不同咬合力獲得與感官結(jié)果相似的粒度。孫鐘雷等[50]制作了仿生牙齒、仿生顳下頜關(guān)節(jié)等硬件，由偏心輪帶動(dòng)上頜實(shí)現(xiàn)咀嚼，組裝的咀嚼模擬器咀嚼效率最大值達(dá)92.3%。

Woda等[51]開發(fā)了下頜咀嚼盤左右滑動(dòng)模擬咀嚼的咀嚼模擬器(AM2)，該裝置可設(shè)置咀嚼周期、咀嚼力等參數(shù)，并利用花生、胡蘿卜進(jìn)行體內(nèi)和體外試驗(yàn)，粒度測(cè)定表明AM2能夠模仿人類咀嚼行為，產(chǎn)生具有相似粒度特征的食物團(tuán)。Mishellany-Dutour等[52]利用AM2進(jìn)行試驗(yàn)，其咬合力范圍為35～337 N，體外和體內(nèi)食物團(tuán)顯示出相似的d50值。Peyron等[53]選用不同質(zhì)構(gòu)食品進(jìn)行體內(nèi)和體外試驗(yàn)，10個(gè)周期后得到的白面包團(tuán)的d50值與全麥面包團(tuán)的相似，24個(gè)咀嚼周期收集的芒果汁重量相似，AM2收集的果汁約為芒果樣品初始重量的20%。

2.2 仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀

仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀是通過模擬人類咀嚼運(yùn)動(dòng)和口腔環(huán)境，對(duì)食品質(zhì)地進(jìn)行評(píng)價(jià)的裝置。目前食品質(zhì)地評(píng)價(jià)方法主要為儀器測(cè)量法，該方法實(shí)施過程中易受外界環(huán)境影響，且實(shí)施環(huán)境與人類口腔實(shí)際生理狀況有差異，最終導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果精度低、不穩(wěn)定。因此，為提高食品質(zhì)地評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，模擬口腔實(shí)際環(huán)境，研制及優(yōu)化了仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀。

2.2.1 仿齒壓頭 儀器測(cè)量法是利用儀器設(shè)備檢測(cè)食品的物理或機(jī)械指標(biāo)，建立檢測(cè)信號(hào)和食品質(zhì)地參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而分析食品質(zhì)地。儀器測(cè)量法多通過食品質(zhì)構(gòu)儀進(jìn)行測(cè)定，采用圓柱形或鍥形壓頭對(duì)食品擠壓得到的應(yīng)力—應(yīng)變曲線進(jìn)行質(zhì)地評(píng)價(jià)，這與人類牙齒形態(tài)特征相差較遠(yuǎn)，很難獲取接近人類感受的食品質(zhì)地結(jié)果。因此，優(yōu)化質(zhì)構(gòu)儀壓頭，使其更接近人類牙齒形態(tài)特征，對(duì)準(zhǔn)確獲取食品質(zhì)地特性具有重要意義。

陳莉等[54]提取了人類咀嚼過程中咬肌肌電圖的特征值，質(zhì)構(gòu)結(jié)果表明仿齒壓頭第1次壓縮做功與咬肌活動(dòng)量、硬度與咬肌信號(hào)峰值的相關(guān)系數(shù)分別為0.866，0.934，均大于圓柱形壓頭的(0.740和0.907)，其質(zhì)地特性密切程度比圓柱形壓頭高9.3%，破碎能力也優(yōu)于圓柱形壓頭。孫鐘雷等[55]研究發(fā)現(xiàn)，仿單齒壓頭對(duì)花生和杏仁的破碎率分別為63.05%，42.36%，均優(yōu)于圓柱和齒形壓頭。

Park等[56]利用聲音采集器獲取質(zhì)構(gòu)儀壓縮蘋果的聲學(xué)特性，質(zhì)構(gòu)儀配有不同壓頭(刀片、上全齒、全齒)，結(jié)果表明，與刀片和上全齒壓頭相比，使用全齒壓頭獲得的聲學(xué)特性脆度與甜度(0.96)、多汁性(0.98)和整體口感(0.97)有較高的相關(guān)性。

2.2.2 質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試 食品咀嚼模擬器僅近似模擬咀嚼功能，未模擬牙周膜結(jié)構(gòu)和信號(hào)傳遞機(jī)理等，與人類的感官相差較大。針對(duì)食品質(zhì)地評(píng)價(jià)中存在的問題，基于食品咀嚼模擬器和仿齒壓頭的研究，利用仿生技術(shù)研究開發(fā)了仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀。以成人牙齒和顱骨標(biāo)本為模型，采用仿生技術(shù)和逆向工程手段設(shè)計(jì)制作仿生牙齒、仿生上下頜、仿生牙周膜、信號(hào)調(diào)理及采集電路等系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)測(cè)試軟件，完成仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀的組裝。

通過仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀對(duì)具有代表性質(zhì)地的食品進(jìn)行質(zhì)地測(cè)試，將其質(zhì)地評(píng)價(jià)結(jié)果與感官評(píng)價(jià)結(jié)果、食品質(zhì)構(gòu)儀評(píng)價(jià)結(jié)果相比較，可以評(píng)估該裝置的仿生性、可靠性及穩(wěn)定性。Meullenet等[57]的設(shè)計(jì)能通過調(diào)節(jié)金屬柱和球形接頭來調(diào)節(jié)下頜高度、傾斜和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最大咀嚼力為150 N。峰值力(h1)是預(yù)測(cè)奶酪硬度感官硬度的最優(yōu)指標(biāo)，仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀的h1為0.83～0.97，該裝置在評(píng)估食品硬度方面具有可靠性。楊杰[58]利用拉伸彈簧系數(shù)不同(5～70 N/mm)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力，與感官評(píng)價(jià)的硬度、脆性、彈性、內(nèi)聚性、咀嚼性的相關(guān)系數(shù)分別為0.998，0.992，0.995，0.986，0.997，均顯著相關(guān)。劉愛陽[59]開發(fā)的牛肉嫩度快速檢測(cè)系統(tǒng)能夠獲取不同嫩度牛肉的應(yīng)變值，自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果正確率達(dá)到95%，可用于牛肉嫩度的等級(jí)評(píng)定。Lee等[60]開發(fā)了以肌腱—彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向驅(qū)動(dòng)的仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀，能夠獲取餅干的脆性和果凍的彈性等質(zhì)地特性，但該質(zhì)構(gòu)儀不能持續(xù)咀嚼。以上仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀未考慮唾液在咀嚼中的作用。

2.2.3 引入唾液及溫控裝置 人類咀嚼過程中口腔保持一定的濕度和溫度，同時(shí)口腔內(nèi)壁會(huì)分泌唾液來促進(jìn)咀嚼。Poinot等[61]設(shè)計(jì)了由密閉容器、活塞和可調(diào)電機(jī)組成的人工口腔裝置，注入唾液30 mL，37 ℃時(shí)咀嚼面包[m面包∶V唾液為2.04∶1.00(g/mL)]，結(jié)果表明唾液有利于面包咀嚼碾碎。孫鐘雷等[62]設(shè)定唾液流速3 mL/min，口腔溫度(37±1)℃，與蘋果感官硬度、脆性的相關(guān)系數(shù)分別為0.970，0.904，與胡蘿卜硬度、脆性的相關(guān)系數(shù)分別為0.961，0.971。Peyron等[54]在唾液流速0.5～5.0 mL/min，溫度36 ℃時(shí)利用AM2咀嚼口香糖，其重量減輕和葡萄糖釋放變化具有相似的時(shí)間進(jìn)程。AM2無唾液咀嚼牛肉時(shí)，牛肉氧化加快，說明唾液具有抗氧化作用。王璐[63]采用蠕動(dòng)泵控制唾液流速(3 mL/min)，加熱加濕器控制溫濕度(37 ℃，相對(duì)濕度60%)，對(duì)餅干、面包、花生、蘋果、胡蘿卜進(jìn)行了測(cè)試。Alemzadeh等[64]利用仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀咀嚼口香糖，咀嚼溫度37 ℃，唾液(表1)流速1.2～4.9 mL/min。結(jié)果表明，該裝置能在20 min內(nèi)嚼碎口香糖，木糖醇釋放的變化趨勢(shì)及回收量與人體相似。仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀可以用來代替人類感官質(zhì)地評(píng)價(jià)，且經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀較食品質(zhì)構(gòu)儀更優(yōu)越。

表1 人工配制唾液成分?

仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀還能對(duì)風(fēng)味物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。Tarrega等[65]通過仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀連接大氣化學(xué)電離質(zhì)譜對(duì)進(jìn)食過程中易揮發(fā)的芳香化合物(丁酸，2-庚酮，丁酸乙酯，3-辛酮和2-壬酮)釋放參數(shù)進(jìn)行控制和測(cè)量，發(fā)現(xiàn)通過注射泵控制唾液流速(1～4 mL/min)會(huì)影響疏水性較強(qiáng)的芳香化合物。仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀也可應(yīng)用于煙草制品[66-67]。利用仿生咀嚼質(zhì)構(gòu)儀咀嚼口含型煙草制品和膠基型煙草制品，咀嚼時(shí)添加含牙齦卟啉單胞菌的人工唾液，通過熒光定量PCR分析研究咀嚼前、后唾液中牙齦卟啉單胞菌含量[68-69]。

3 結(jié)語

隨著學(xué)科的交叉融合和當(dāng)前各種機(jī)械技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)食品質(zhì)地評(píng)價(jià)精確性的要求不斷提高，仿生咀嚼裝置還需深入研究：① 優(yōu)化仿生牙齒材料和仿生舌。當(dāng)前的仿生牙齒材料多選擇不銹鋼或者塑料材質(zhì)，牙面過于光滑，咀嚼時(shí)食物易滑落，試驗(yàn)結(jié)果存在誤差；舌頭在咀嚼過程中起攪拌和傳送食物的作用，舌頭本身是柔軟且靈活的，而目前的仿生舌都是剛性的。因此，在仿生咀嚼裝置中優(yōu)化仿生牙齒材料及仿生舌是研究的重要方向。② 提高仿生咀嚼裝置的智能性。當(dāng)前仿生咀嚼裝置需要人的參與才能完成食品質(zhì)地的評(píng)價(jià)，如何提高仿生咀嚼裝置的適應(yīng)性和自動(dòng)化水平，使其對(duì)不同形態(tài)、質(zhì)地的食品，自主穩(wěn)定地完成食品質(zhì)地評(píng)價(jià)，減少人的參與。③ 設(shè)計(jì)成本低、操作簡單的仿生咀嚼裝置。仿生咀嚼裝置的應(yīng)用目前還處在實(shí)驗(yàn)室階段，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮裝置的整體材料、體積、驅(qū)動(dòng)方式等，減少操作步驟，開發(fā)一個(gè)簡潔易懂的軟件系統(tǒng)也有利于提升其操作簡便性。