پژوهشگران دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ موفق به توسعه چاپگر سه‌بعدی پیشرفته شده‌اند که با استفاده از فناوری گرافن، غذا را به‌صورت لایه‌به‌لایه چاپ و هم‌زمان طبخ می‌کند. این سیستم که از هوش مصنوعی (AI) برای طراحی ساختارهای خوراکی پیچیده بهره می‌برد، چالش‌های کلیدی تولید خودکار غذا را حل کرده است. از جمله این چالش‌ها، حفظ ایمنی مواد غذایی در حین چاپ و ایجاد شکل‌های پیچیده بدون نیاز به مهارت‌های فنی است.
نوآوری جدید در صنعت غذا؛ پخت و چاپ هم‌زمان غذا با فناوری نانو
فرآیند تولید غذا به‌صورت خودکار، تفاوت‌های اساسی با تولید صنعتی مواد دیگر مانند پلاستیک و فلز دارد. غذا باید به‌درستی پخته شود تا ایمنی آن تضمین شود، اما حفظ شکل اصلی در حین پخت همواره چالش‌برانگیز بوده است. چاپگرهای سه‌بعدی غذایی کنونی معمولاً در دو مرحله جداگانه عمل می‌کنند: ابتدا خمیر غذایی را به‌صورت سرد چاپ کرده و سپس آن را در فر یا سرخ‌کن قرار می‌دهند. این روش معمولاً باعث تغییر شکل مواد خوراکی و افزایش خطر آلودگی به‌دلیل جابه‌جایی بین دستگاه‌ها می‌شود.
اما در این سیستم جدید، این مراحل در یک فرآیند یکپارچه انجام می‌شود. برای این منظور، از یک گرم‌کن مادون قرمز ویژه ساخته‌شده از گرافن القایی لیزری (Laser-Induced Graphene – LIG) استفاده شده است. این عنصر گرمایشی فوق‌العاده نازک، کنترل دقیق دما را ممکن می‌سازد و لایه‌های چاپ‌شده غذا را در دمای ۱۳۷ درجه سانتی‌گراد در سطح و حداقل ۱۰۵ درجه سانتی‌گراد در اطراف، به‌طور هم‌زمان پخت می‌کند. این سیستم تنها ۱۴ وات انرژی مصرف می‌کند، که در مقایسه با فرهای سنتی و سرخ‌کن‌های هواپز که بین ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ وات برق مصرف می‌کنند، بسیار کارآمدتر است.
پژوهشگران، چاپگر خود را با استفاده از خمیر نشاسته‌ای شیرینی آزمایش کردند. در این آزمایش، لایه‌های خمیر بلافاصله پس از خروج از نازل چاپگر، توسط گرم‌کن مادون قرمز پخته شدند. این فرآیند، شکل چاپ‌شده را حفظ کرده و مانع از تغییر شکل و افتادگی مواد خوراکی شد.
تحلیل‌های دقیق نشان داد که این روش نسبت به روش‌های پخت سنتی برتری دارد. بررسی‌های میکروسکوپی نشان داد که نمونه‌های پخته‌شده با مادون قرمز، ساختار داخلی یکنواخت‌تری نسبت به نمونه‌های پخته‌شده در فر دارند و از تورم بیش‌ازحد جلوگیری می‌شود. همچنین، تصاویر اشعه ایکس نشان دادند که غذا به‌طور یکنواخت پخته شده، بدون آنکه انسجام ساختاری آن از بین برود.
علاوه بر این، آزمایش‌های میکروبی نشان داد که ایمنی غذایی در این روش به‌طور قابل‌توجهی بهبود یافته است. در نمونه‌های پخته‌شده با گرمایش مادون قرمز، تنها ۰ تا ۶ کلونی باکتریایی پس از ۴۸ ساعت رشد کردند، درحالی‌که نمونه‌های پخته‌شده در فر معمولی یا سرخ‌کن، بیش از ۲۰۰ کلونی باکتریایی داشتند. این نتایج نشان می‌دهد که دمای بالا و فوری در هر لایه چاپ‌شده، از رشد میکروب‌های مضر جلوگیری می‌کند.
یکی از ویژگی‌های برجسته این سیستم، ساده‌سازی فرآیند طراحی با استفاده از هوش مصنوعی است. به‌جای نیاز به تسلط بر نرم‌افزارهای پیچیده مدل‌سازی سه‌بعدی، این سیستم توصیفات متنی ساده را دریافت کرده و آن‌ها را به مدل‌های سه‌بعدی آماده چاپ تبدیل می‌کند. کاربران می‌توانند با وارد کردن عباراتی مانند شیرینی‌زنجبیلی، یک مدل کاملاً آماده چاپ را در عرض چند دقیقه دریافت کنند.
نتایج آزمایش‌ها نشان داد که این سیستم می‌تواند اشکال پیچیده و چندلایه را با دقت بالا تولید کند. علاوه بر خمیر شیرینی، این چاپگر قادر است مواد غذایی مختلف از جمله پوره‌های گیاهی و ترکیبات پروتئینی را نیز چاپ کند که نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری این فناوری با انواع غذاها است.
این فناوری تنها به چاپ غذاهای ساده محدود نمی‌شود. ترکیب ابزارهای طراحی مبتنی بر هوش مصنوعی و قابلیت پخت هم‌زمان، می‌تواند راه را برای تولید خودکار غذاهای سفارشی هموار کند. از آنجا که این سیستم کم‌مصرف و جمع‌وجور است، می‌تواند برای رستوران‌ها و نانوایی‌ها کاربردی باشد و امکان ارائه غذاهای متنوع بدون نیاز به آموزش‌های پیچیده فنی را فراهم کند.
پژوهشگران همچنین معتقدند که این فناوری می‌تواند در محیط‌های درمانی نیز مفید باشد، زیرا امکان کنترل دقیق بر ترکیبات و مقادیر مواد غذایی را فراهم می‌کند. این قابلیت می‌تواند تولید خودکار رژیم‌های غذایی خاص را ممکن ساخته و کیفیت و ایمنی مواد غذایی را تضمین کند.
علاوه بر این، کاربردهای این سیستم فراتر از صنعت غذا است. کنترل دقیق دما و مصرف انرژی بهینه که از طریق سیستم گرمایش گرافنی ارائه می‌شود، می‌تواند در فرآیندهای تولیدی دیگر نیز مورد استفاده قرار گیرد.
