“目前宇航员的太空食物太简单，油脂也比较多。曾有宇航员告诉我，说在太空时特别想吃接地气的食物比如意大利面等。干燥型意面一般保质期为三年，假如能节约 60% 的食物包装，即可给太空仓储带来更多扩展空间，因此量产非常有必要。”
让意大利面可以折叠[1]，是卡内基梅隆大学计算机学院人机交互研究所与工程学院助理教授姚力宁的新成果之一。
图 | 姚力宁（来源：姚力宁）
日前，该论文以《变形意大利面和其他》（Morphing pasta and beyond）为题发表在Science Advances，并成为当期封面。
图 | 当期Science Advances封面（来源：Science Advances）
姚力宁说这款意面具有“三减一棒”的优势：可减少塑料包装浪费，可减少存储空间，可减少运输的碳足迹，而且味道很棒。
干燥的意面包装袋中往往装满空气，这会消耗大量塑料，在储存和运输时也会占用不必要的空间，从而导致更多燃料消耗和更高的排放量。以圆形意面为例，包装中 60% 的空间都用来装空气。
（来源：Science Advances）
提出兼具材料创先和计算创新的方案
为此，姚力宁提出一种兼具材料创新和计算创新的解决方案。她把意面都做成平的，当用开水煮意面时，意面会自动形成 3D 形状。
作为一种可持续食物，它可节省包装空间、以及减少塑料使用。当把 3D 意面做成平的，大约可节省 60%~80% 的包装空间。
（来源：Science Advances）
可以说，这是一个智能变形材料和可持续材料的研究。所谓变形可控，指的是可被编程、可被运算、可被模拟。在烹饪时，由于它是可自动触发的智能材料，因此可折叠成事先设计好的形状。
（来源：Science Advances）
期间，她发现到意面中的凹槽，是控制形状变形的有效方法，通过一个机械手臂操控的自动印章模式，可给面边做很多小凹槽，从而对水渗透到食物表面的速度进行调节，然后通过水渗透的速率差值，让意面从平面形状变成 3D 形状。
出于对凹槽控制意面形状进行科学定量分析的想法，她和雪城大学张腾助理教授带领的力学团队，合作研发一款计算机多模动态物理模型。由于涉及各种物理现象，因此要考虑数字模拟能否预先运算希望生成的 3D 形状，比如弯曲的形状、一朵花的形状等。最终，该模型揭示了基于凹槽的方法的工作机制。
（来源：Science Advances）
烹饪面条也会产生碳足迹
该团队将细小的凹槽，压入仅由粗面粉和水制成的扁平意面面团，在烹饪时可变形为管状、螺旋状、扭曲状和波浪状。通过仔细规划凹槽的放置位置和方式，即可控制意面煮熟时形成的形状。
图 | 不同形状的意面（来源：Science Advances）
姚力宁认为，扁平包装意面还可降低烹饪的碳足迹。在意大利，大约 1% 的温室气体排放来自烹饪意面。而扁平意面比管状意面烹饪得更快，这会减少烹饪过程中的排放。
为了让意面进行变形，凹槽被巧妙地压入光滑、平坦的面团表面。在沸水中，经过改良的带有槽面的面团，比光滑面膨胀得更小，从而可将面团变成扭曲状、或管状。
常见的变形结构机制很难用于食品设计，而采用该团队本次提出的机制，可在具有参数化表面凹槽的结构中，实现瞬态变形效果。
（来源：Science Advances）
其中，凹槽可用单一材料实现，并用低成本方法进行制造。通过定量实验和多物理场模拟，她发现参数化表面开槽，可引起暂时的异步膨胀或消胀，并能将扁平物体转换为设计好的 3D 形状。
研究中，该团队最初和一家意大利意面公司合作，使用的面粉也来自该国。做意大利面，采用的是黄色粗糙面粉，揉成面团再加上水，并按照意面的配比。
（来源：Science Advances）
做出来后，她把制作方法告诉对方，并让该公司的意面师傅也试吃面条。她也请来其他用户来尝试不变形的普通意面、和变形意面的口感差别，大家普遍反应口感没有改变。而在材料研发中，姚力宁也努力保证食物本身的原汁原味，同时保持变形以节省空间。
陶冶是是此次论文的第一作者，也是姚力宁实验室的前访问博后。研究中，她携带扁平包装的意面，并在外边徒步旅行。亲自测试后发现，意面在包里占据的空间很小，期间不仅没有破损，且在便携式野营炉上烹饪成功。
图 | 陶冶在户外进行意面烹饪；以及陶冶正面照（来源：Science Advances、陶冶个人首页）
国内风投已就意面联系合作
“可入地、能上天”，是这款意面的另一特征。人类去火星的旅程长达三年，期间不可能回到地球取食物。如果我们想让太空旅居成为现实，就要考虑身体健康，而可以带上火星的意面，便是不错的主食来源。
图 | 户外烹饪意面（来源：Science Advances）
当外出远足时，可在包里放点压缩意面来野炊。也可在灾难急救时，作为应急食物使用。
一些欧美意面公司也找姚力宁谈过相关合作，其中一家面条机生产公司，希望她把实验室技术产业化。
（来源：Science Advances）
未来也有可能进入中国，国内北方经常吃面食，煮面条会用很多水，这时如何包装食物、做成什么形状更节约水、进而节省每次煮面所需时间，就会变得十分有意义。
目前，已经有国内风投机构就该成果和她联系。下一步，她打算拓展食品种类。如果面向亚洲市场，就不再局限于面粉类食物，也可考虑蛋白质比较多的变形食物。
图 | 沟槽样品的制作工艺（来源：Science Advances）
以包饺子为例，我们只需把馅放进去它就可以自己卷。在蒸食物或烤食物时，也能让它自己卷起来。
概括来说，这种智能材料的好处在于，可根据环境变化，比如煮制、烧烤、微波时，它不仅能变形，与此同时也无需任何额外电子电路、或其他非环保材料。
从建模角度来看，下一个挑战将是开发更复杂和更准确的模型，未来该模型将研究意面生产和烹饪技术对于材料结构的影响。
图 | 显微镜图像显示意大利面槽间隙随着时间的推移，随着条膨胀和形状而减小（来源：Science Advances）
相关作品引起产业各界关注
在卡内基梅隆大学姚力宁的形变材料实验室网站首页，摆满了团队作品，多数已发表对应论文。
图 | 姚力宁在卡内基梅隆大学计算机学院创建的形变材料实验室首页（来源：姚力宁）
如上图的小熊，其材料机制和意面一样。它是一种可降解生物塑料，本身来源是来自玉米，即这是以玉米为原料做的生物材料。
（来源：形变材料实验室，卡内基梅隆大学）
同时在打印过程中，还编程进去一些变形基因属性，这样就是平的。想象一下，如果这是一款家具，那就可以折平后进行运输。
假如想让它变成 3D 形状，可以放在烤箱或者用吹风机吹风，总之给点热源就能够自动折成事先设计过的形状，这便是它的记忆功能。
制备中还使用了 4D 打印技术，即在 3D 基础上增加时间维度，下打印机之后还能延长时间维度，从而产生二次形变。一些儿童玩具公司曾联系她，希望做成儿童玩具。比如把小人立起来，每一页纸撕下来，折叠起来放到热水，它能自动缝制成各种形状。
（来源：形变材料实验室，卡内基梅隆大学）
日本宏达汽车也曾找过姚力宁，想用 4D 打印方式做车引擎盖前期的屏设计，即用于修改车的骨架、或包装引擎盖。此前该公司每做一个新形状都要打印一个新的 3D 模具，成本十分高昂。如果用 4D 打印做成平面模型，一旦加热就能生成之前设计的 3D 金盖形状。
一家国际著名化妆品公司曾找到姚力宁聊把塑料花作香薰的事情，即用虹吸效果把香水给吸到瓶子上边，然后就可以散发到空气里。小花和小熊都属于4D打印，姚力宁认为这代表着未来数字生产制造的方式。
（来源：形变材料实验室，卡内基梅隆大学）
如果没从医学转到设计，就很难有今天
姚力宁本科就读于浙大，现任浙大国际设计研究院副院长应放天是她的导师。在申请来美国读书时，他告诉姚力宁要对自己有想象力，后来直接申请到麻省理工学院（MIT）。
大一大二期间，姚力宁在浙大学习的是医学，后来转了专业。当时报志愿时，爸爸妈妈也不是非常懂，一开始只是觉得要报一个铁饭碗专业。当时父母觉得医学不错。而浙大的工业设计这种比较洋气的专业，当时也没有在内蒙古招生。
图 | 姚力宁在介绍自己的设计（来源：姚力宁）
来到浙大之后，她还是喜欢创造性研究，后来接触到工业设计，她觉得这个方向就是自己想要的，于是决定转专业。她说，如果不转方向，也不会进入 MIT 媒体实验室，因此她觉得在一些选择上，要听从自己的内心。
值得注意的是，前文的陶冶在姚力宁实验室结束博后研究后，已经回国并加入浙大城市学院工业设计系担任副教授，该学院是浙大下属的独立学院。
谈及未来，姚力宁表示面对环境污染和全球变暖，她和团队会不断寻找可持续形变材料去改善传统工业生产、建造、耕种、食用、出行以及穿着方式，深入拓展可持续、可降解智能变形材料的研发和应用。
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参考：
1、Tao et al.,Sci. Adv7. 2021
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf4098