仿生咀嚼裝置及其在食品質地評價中應用研究進展

謝桂林 趙 奇 郭一霏 王 超 毛 倩,3

(1.遼寧大學輕型產業學院，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學醫學與生物信息工程學院，遼寧 沈陽 110169；3.長春大學農產品深加工省高校重點實驗室，吉林 長春 130022)

食品質地是通過視覺、聽覺、觸覺、肌肉運動知覺等來感知食品的所有機械特性(包括幾何尺寸和表面特性)，用來表示與食品組織結構和狀態有關的物理量，在食品物性學中被廣泛用來表示食品的組織狀態、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食物進行咀嚼的裝置，在食品工業中常用其來進行食品質地評價。目前食品質地評價方法主要包括感官評價法和儀器測量法。感官評價法一般以色澤、質地、滋味和氣味為評價指標，其試驗結果最接近于食品本身質地性質。但個體和試驗環境的差異會使評價結果有一定的主觀性和局限性，離散程度大，很難對食品質地進行客觀和準確的評價[2]。儀器測量法通常是使用質構儀配備不同形狀的壓頭對食品物料進行杵壓，從而獲取食品質地特性。與感官評價法相比，儀器測量法具有客觀、精確、結果可量化、靈敏性高、重現性好等優點[3]。但是，質構儀與人類口腔環境特征相差較大，難以真實模擬口腔咀嚼運動情況，因此儀器測量法獲得的結果對于食品在實際口腔中的質地變化描述是不準確的。

近年來，隨著科學技術發展及人們對食品品質的追求，相關人員開展了關于仿生咀嚼裝置的設計和優化。文章擬結合國內外研究進展，對仿生咀嚼裝置的理論模擬、裝置研發的應用進行綜述，并對其發展方向進行展望，旨在為仿生咀嚼裝置的深入研究提供依據。

1 仿生咀嚼模型

仿生咀嚼模型是當前仿生咀嚼裝置研究的基礎。Franks等[4]利用三維建模軟件設計仿生咀嚼模型來重現人類口腔上下頜咀嚼行為，模擬下頜運動，測定咀嚼效率、咀嚼力等參數。仿生咀嚼模型基于機械系統的運動學和動力學仿真來優化模型結構，評價運動性能[5-6]。構建仿生咀嚼模型能夠縮短裝置設計時間，提升設計效率，提高裝置可靠性和穩定性，最終得到最優的設計產品[7]。目前仿生咀嚼模型的研究主要有六自由度咀嚼機器人和少自由度咀嚼機器人。

1.1 六自由度咀嚼機器人

六自由度咀嚼機器人即機器人處于咀嚼狀態時，運動平臺在空間中具有6個自由度[8-9]。六自由度機器人由靜平臺、動平臺及運動支鏈組成，一般以上頜骨為靜平臺，下頜骨為動平臺。通過分析人類口腔咀嚼系統的生物力學特性，在三維建模軟件中構建六自由度咀嚼機器人，模擬人類口腔運動的實際環境，對仿下頜運動機器人進行運動特性分析及有限元靜力學分析。

1.1.1 仿下頜運動機器人 下頜作為人類面部重要骨骼，具有進食、說話、面部動作等功能。人類下頜有3種運動模式：張開/咬合，向前/向后和向左/向右。通過這3種運動模式，人類可以咀嚼食物或發聲[10]。在咀嚼食物的周期性過程中，正常人類下頜邊緣運動軌跡幅度范圍為20～30 mm，而下頜運動則取決于食物本身形狀和質地[11-12]。

仿下頜運動機器人的研究主要集中在下頜運動軌跡的仿真以及下頜康復等領域。以并聯機構為基礎構建的仿下頜運動機器人，其驅動桿一般兩兩對稱。王藝博[13]構建了6-SPS并聯機構仿人類下頜機器人，其線性驅動器承受的最大力為179.7 N。李曉鋒等[14]研究發現，優化后的驅動桿長度分別為215，184，183 mm。程秀芳等[15]設計的仿下頜康復機器人可根據患者坐姿身高、顱骨長度、下頜骨長度等進行調節，能滿足患者在康復前、后期的不同訓練要求。劉同占等[16-17]充分考慮到下頜系統驅動肌肉分布不對稱、作用力方向不同及上下頜連接點不共面的生物力學特性，提出了一種基于Stewart平臺的并聯機構仿下頜運動機器人(圖1)。這類機器人皆選擇電機帶動絲杠螺母傳動系統來驅動，通過滑塊位置變化帶動模擬咀嚼肌肉的支鏈實現下頜平臺運動；ADAMS軟件仿真下頜運動的不規則張合運動、咬合、左側咀嚼、常規張合運動、右側咀嚼，參考點運動范圍由IP>LCP>LMP優化為IP>LMP>LCP，最大咬合力約500 N。宋佳[18]進行了豎直切割、水平研磨、左側壓碎運動的仿真分析，LCP與RCP最大位移量分別為12.8，15.7 mm，參考點運動范圍為IP>LMP>LCP，IP>RMP>RCP。以上機器人均能實現人類下頜運動的既定軌跡和咬合力要求。

1.球副 2.末端執行器 3.導軌 4.電機 5.虎克鉸 6.驅動支鏈 7.絲杠螺母 8.絲杠

1.1.2 其他咀嚼機器人 仿下頜運動機器人主要模擬人類口腔下頜運動，再現下頜運動軌跡，對人類上、下頜咀嚼的狀態研究較少。而早期的咀嚼模擬器僅研究驅動系統和簡單模擬，未分析模型的速度、加速度、力，仿真性簡單。萇占波等[19-20]將復雜的咀嚼肌簡化成由直線驅動器模擬的六自由度并聯結構(圖2)，能模擬下頜骨功能。

1.直線驅動器 2.定平臺 3.動平臺

近年來研究者在咀嚼機器人的驅動方式、工作空間(連桿長度等)、上位機控制方向進行了不同方式的優化和設計。例如應用松岡神經振蕩器驅動其關節運動，模擬驗證機器人咀嚼不同食物的運動軌跡和咬合力[21]。雷孟冬[22]以滾珠絲桿為驅動桿，當驅動力為200 N，Vmax為0.007 5 m/s時，咀嚼力最大為260 N。王加森[23]設計了將上頜骨更換為不同探頭來實現對不同食品的質地評價。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為10～50 N/mm時具有穩定性。Tahir等[25]開發了液壓驅動的Stewart并聯機構(PKM)咀嚼機器人，可在矢狀面、水平面和垂直面平移和旋轉。陳根祿[26]比較了機器人動力學方程位姿曲線與ADAMS仿真分析曲線，并驗證其可行性。以上咀嚼機器人的理論模擬大多以上頜骨為靜平臺，下頜骨為動平臺來完成咀嚼運動。但也有關于將上頜骨和下頜骨都作為動平臺的研究[27]，其上、下頜獨立驅動，相對運動，共同實現咬合咀嚼功能。

1.2 少自由度咀嚼機器人

以六自由度并聯機構為基礎設計的咀嚼機器人結構復雜，成本高且控制困難，為了使咀嚼機器人成本低廉，便于控制和使用，設計了少自由度咀嚼機器人。少自由度咀嚼機器人是一類以自由度<6的并聯機構組成的咀嚼機器人[28-29]，其驅動方式主要包括連桿、滾珠絲桿及繩索。王倩竹[30]基于四桿機構設計，以彈簧作為減震器模擬咀嚼。謝高鵬[31]以曲柄搖桿驅動，配以橡膠舌頭、唾液裝置、溫濕度系統來提升模型仿生性。吳范徐齊等[32]構建的機器人由1條從動驅鏈約束3條主動支鏈，其下頜模型置于轉臺上，轉臺與動平臺為一體。溫海營等[33]選擇電機帶動滾珠絲杠傳動進而帶動滑塊運動，該機器人開、閉口運動時間為0.735 s。任杰[34]利用繩索牽引模擬咀嚼肌，點接觸高副模擬人體顳下頜關節，氣動人工肌肉驅動構建仿下頜運動機構。

2 仿生咀嚼裝置

仿生咀嚼裝置的研究始于20世紀90年代，是一種基于人體咀嚼系統的機械模擬器。日本早稻田大學自1987年開始研究咀嚼機器人WJ系列，主要用于口腔咀嚼運動困難人群的治療。根據牙科生理學，Takanobu等[35]開發了WJ1～WJ5系列口腔咀嚼機器人，該機器人系統由執行機構、傳感器和控制子系統組成。近年來，仿生咀嚼裝置也被應用于食品領域，主要包括食品咀嚼模擬器和仿生咀嚼質構儀。

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咀嚼，能夠在咀嚼過程中收集食品顆粒，分析食品屬性特點的一類裝置。近年來，食品咀嚼模擬器的研究主要包括機構參數優化、仿生舌的添加及咀嚼效能評定。

2.1.1 機構參數優化 Meyer等[36]設計了由滑輪牽動繩索模擬主要咀嚼肌的靜態下頜模擬器，該裝置能使用PM傳感器測量咬合力，但存在肌肉群分布不平衡的問題，可能會導致裝置不穩定。為提高裝置的穩定性和仿生性，后續設計的咀嚼模擬器對機構參數進行了優化，主要包括運動參數和下頜運動。

咀嚼模擬器的運動參數優化主要包括驅動器和驅動部件的位移范圍、速度及加速度優化，以此來適應咀嚼不同質地的食品或者接近于人體口腔咀嚼系統，提高機構仿生性。Xu等[37]研制了以連桿驅動的咀嚼模擬器，由上下頜骨、放大器、計算機等組成，能通過限制電機扭矩適應不同食物質地。同時，Xu等[38]還設計了由旋轉電機、齒輪減速傳動系統和絲杠組成的并行驅動機構，最終驅動力設定為200 N。Wen等[39]的設計由執行器、上頜骨單元、下頜骨單元和底座組成，其下切牙點軌跡與人吻合較好，移動關節最大位移、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并聯機構為基礎的咀嚼模擬器，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現咀嚼速度和咀嚼力的快速協調。

優化下頜運動有助于更精確地模擬人類口腔運動。測量裝置下頜骨下切牙點的軌跡，與人類下切牙點運動軌跡一致。杜婧[42]設計了以滾珠絲杠驅動的仿下頜運動裝置，能模擬下頜的小開頜、大開頜、最大開頜運動。溫海營[43]得到了下頜切點張口、前伸、左右側運動距離最大值分別為52，20，18 mm，且具有良好仿生性。Wang等[44]研究表明，位置控制系統樣機門牙軌跡(開合和左側咀嚼)裝置可用于評價食物咀嚼的組織特性。Kalani等[45]開發了能利用表面肌電信號(sEMG)產生實時咀嚼軌跡的咀嚼模擬器，能生成一個平滑連續的軌跡，咀嚼階段、時間間隔、試驗、被試者的平均識別率為(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動的重要器官。Liu等[46]研究的仿生舌檢測裝置由提升裝置、壓力傳感器、數據采集手柄和仿生舌壓頭組成，模擬并分析了舌頭的4種運動狀態(平躺狀態、凹陷狀態、隆起狀態和翻轉狀態)。韓敬虎[47]設計了以6-PSS型Stewart并聯機構為基礎的咀嚼吞咽一體化裝置。該吞咽機構由口腔、記憶性塑膠材料制作的仿生舌、會厭、仿生食道組成，并在咀嚼基礎上添加了吞咽步驟，真實地再現了人類咀嚼吞咽過程。

2.1.3 咀嚼效能的評定 咀嚼效能是指在一定咀嚼次數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)等參數來表示[48]。Salles等[49]開發的咀嚼模擬器由咀嚼部分、電子控制箱和計算機組成，最大咬合力(250，300，350 N)咀嚼花生4，8個周期，裝置能通過施加不同咬合力獲得與感官結果相似的粒度。孫鐘雷等[50]制作了仿生牙齒、仿生顳下頜關節等硬件，由偏心輪帶動上頜實現咀嚼，組裝的咀嚼模擬器咀嚼效率最大值達92.3%。

Woda等[51]開發了下頜咀嚼盤左右滑動模擬咀嚼的咀嚼模擬器(AM2)，該裝置可設置咀嚼周期、咀嚼力等參數，并利用花生、胡蘿卜進行體內和體外試驗，粒度測定表明AM2能夠模仿人類咀嚼行為，產生具有相似粒度特征的食物團。Mishellany-Dutour等[52]利用AM2進行試驗，其咬合力范圍為35～337 N，體外和體內食物團顯示出相似的d50值。Peyron等[53]選用不同質構食品進行體內和體外試驗，10個周期后得到的白面包團的d50值與全麥面包團的相似，24個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 仿生咀嚼質構儀

仿生咀嚼質構儀是通過模擬人類咀嚼運動和口腔環境，對食品質地進行評價的裝置。目前食品質地評價方法主要為儀器測量法，該方法實施過程中易受外界環境影響，且實施環境與人類口腔實際生理狀況有差異，最終導致測試結果精度低、不穩定。因此，為提高食品質地評價的準確性，模擬口腔實際環境，研制及優化了仿生咀嚼質構儀。

2.2.1 仿齒壓頭 儀器測量法是利用儀器設備檢測食品的物理或機械指標，建立檢測信號和食品質地參數之間的關系，進而分析食品質地。儀器測量法多通過食品質構儀進行測定，采用圓柱形或鍥形壓頭對食品擠壓得到的應力—應變曲線進行質地評價，這與人類牙齒形態特征相差較遠，很難獲取接近人類感受的食品質地結果。因此，優化質構儀壓頭，使其更接近人類牙齒形態特征，對準確獲取食品質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，質構結果表明仿齒壓頭第1次壓縮做功與咬肌活動量、硬度與咬肌信號峰值的相關系數分別為0.866，0.934，均大于圓柱形壓頭的(0.740和0.907)，其質地特性密切程度比圓柱形壓頭高9.3%，破碎能力也優于圓柱形壓頭。孫鐘雷等[55]研究發現，仿單齒壓頭對花生和杏仁的破碎率分別為63.05%，42.36%，均優于圓柱和齒形壓頭。

Park等[56]利用聲音采集器獲取質構儀壓縮蘋果的聲學特性，質構儀配有不同壓頭(刀片、上全齒、全齒)，結果表明，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)有較高的相關性。

2.2.2 質構儀測試 食品咀嚼模擬器僅近似模擬咀嚼功能，未模擬牙周膜結構和信號傳遞機理等，與人類的感官相差較大。針對食品質地評價中存在的問題，基于食品咀嚼模擬器和仿齒壓頭的研究，利用仿生技術研究開發了仿生咀嚼質構儀。以成人牙齒和顱骨標本為模型，采用仿生技術和逆向工程手段設計制作仿生牙齒、仿生上下頜、仿生牙周膜、信號調理及采集電路等系統硬件，設計開發系統測試軟件，完成仿生咀嚼質構儀的組裝。

通過仿生咀嚼質構儀對具有代表性質地的食品進行質地測試，將其質地評價結果與感官評價結果、食品質構儀評價結果相比較，可以評估該裝置的仿生性、可靠性及穩定性。Meullenet等[57]的設計能通過調節金屬柱和球形接頭來調節下頜高度、傾斜和轉動角度，最大咀嚼力為150 N。峰值力(h1)是預測奶酪硬度感官硬度的最優指標，仿生咀嚼質構儀的h1為0.83～0.97，該裝置在評估食品硬度方面具有可靠性。楊杰[58]利用拉伸彈簧系數不同(5～70 N/mm)調節驅動力，與感官評價的硬度、脆性、彈性、內聚性、咀嚼性的相關系數分別為0.998，0.992，0.995，0.986，0.997，均顯著相關。劉愛陽[59]開發的牛肉嫩度快速檢測系統能夠獲取不同嫩度牛肉的應變值，自組織神經網絡預測結果正確率達到95%，可用于牛肉嫩度的等級評定。Lee等[60]開發了以肌腱—彈簧機構實現雙向驅動的仿生咀嚼質構儀，能夠獲取餅干的脆性和果凍的彈性等質地特性，但該質構儀不能持續咀嚼。以上仿生咀嚼質構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，同時口腔內壁會分泌唾液來促進咀嚼。Poinot等[61]設計了由密閉容器、活塞和可調電機組成的人工口腔裝置，注入唾液30 mL，37 ℃時咀嚼面包[m面包∶V唾液為2.04∶1.00(g/mL)]，結果表明唾液有利于面包咀嚼碾碎。孫鐘雷等[62]設定唾液流速3 mL/min，口腔溫度(37±1)℃，與蘋果感官硬度、脆性的相關系數分別為0.970，0.904，與胡蘿卜硬度、脆性的相關系數分別為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間進程。AM2無唾液咀嚼牛肉時，牛肉氧化加快，說明唾液具有抗氧化作用。王璐[63]采用蠕動泵控制唾液流速(3 mL/min)，加熱加濕器控制溫濕度(37 ℃，相對濕度60%)，對餅干、面包、花生、蘋果、胡蘿卜進行了測試。Alemzadeh等[64]利用仿生咀嚼質構儀咀嚼口香糖，咀嚼溫度37 ℃，唾液(表1)流速1.2～4.9 mL/min。結果表明，該裝置能在20 min內嚼碎口香糖，木糖醇釋放的變化趨勢及回收量與人體相似。仿生咀嚼質構儀可以用來代替人類感官質地評價，且經過對比發現仿生咀嚼質構儀較食品質構儀更優越。

表1 人工配制唾液成分?

仿生咀嚼質構儀還能對風味物質進行檢測。Tarrega等[65]通過仿生咀嚼質構儀連接大氣化學電離質譜對進食過程中易揮發的芳香化合物(丁酸，2-庚酮，丁酸乙酯，3-辛酮和2-壬酮)釋放參數進行控制和測量，發現通過注射泵控制唾液流速(1～4 mL/min)會影響疏水性較強的芳香化合物。仿生咀嚼質構儀也可應用于煙草制品[66-67]。利用仿生咀嚼質構儀咀嚼口含型煙草制品和膠基型煙草制品，咀嚼時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 結語

隨著學科的交叉融合和當前各種機械技術的發展以及人們對食品質地評價精確性的要求不斷提高，仿生咀嚼裝置還需深入研究：① 優化仿生牙齒材料和仿生舌。當前的仿生牙齒材料多選擇不銹鋼或者塑料材質，牙面過于光滑，咀嚼時食物易滑落，試驗結果存在誤差；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。當前仿生咀嚼裝置需要人的參與才能完成食品質地的評價，如何提高仿生咀嚼裝置的適應性和自動化水平，使其對不同形態、質地的食品，自主穩定地完成食品質地評價，減少人的參與。③ 設計成本低、操作簡單的仿生咀嚼裝置。仿生咀嚼裝置的應用目前還處在實驗室階段，設計時應考慮裝置的整體材料、體積、驅動方式等，減少操作步驟，開發一個簡潔易懂的軟件系統也有利于提升其操作簡便性。