据不完全统计，意大利面目前一共有三百多种，他们的制作原料基本一致，但形状、大小、长短各有不同。每一种意面都有其独特的名称，并对应着不同的烹饪手法，形状会影响酱料的吸收，因而意面食谱也是五花八门。
具有各种三维（3D）形状的意面以其独特的质地，口感和风味而闻名，但在储运过程中对食品包装也有更高的要求，它们比扁平形状的面点要占用更多的空间，且容易受到碰撞的影响。塑料的质量轻、相对密度低，运输销售方便，化学稳定性好且便于加工一直是过去几十年最常用的食品包装材料，但其带来的污染问题也十分严峻。为了减轻塑料包装带来的污染，研究人员以意面为切入点，设计了一种简单的变形基质，可以让原本扁平的意面一边煮一边形变为预设的三维形状，从而减少运输和储存过程中所需的包装空间，为减少碳足迹提出了新的解决方案。美国宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学、浙江大学组成的国际研究团队通过在柔软基板上设计参数化的凹槽以实现对扁平材料的可控溶胀变形，做出的意面在烹饪时自发“内卷”，研究成果以Morphing pasta and beyond为题，发表在顶级期刊《Science Advances》上。
【变形机制】
选择PDMS作为模型物质来研究带凹槽的物体是如何变形的。将样品浸入非极性溶剂250 s，由于溶胀，样条会向上弯曲，接着在空气中蒸发溶剂后，又会向下弯曲，有凹槽的PDMS表现出可逆的双向变形行为。基于聚合物凝胶模型的仿真可以准确预测变形现象，与实验结果非常吻合，这说明中心位置和周边区域不均匀的扩散会诱导物体发生快速形变。带凹槽的条状意大利面团也基于相同的变形机制，因而使用相似的扩散模型可以准确预测形变结果。凹槽的尺寸、位置、深度以及排列等在面食的变形行为中起着至关重要的作用。
【凹槽的几何特征】
那么凹槽的几何特征与变形程度之间是什么关系呢？通过在毫米和微米范围内改变意面及PDMS的凹槽参数，如沟槽宽度，深度，间隙和基底厚度等，可以观察到样品的可控变形。
条带的最大弯曲曲率随着凹槽宽度，深度，间隙和基底厚度的减小而增加。但是，若相邻凹槽之间的间隙过小，则会引起凹槽碰撞，阻碍结构的进一步弯曲，这在仿真模型中也得到了预测。而对于面团来说，凹槽碰撞除了会影响最大弯曲角度，还可以用于锁定意面形状，在烹饪过程中淀粉颗粒中渗出的支链淀粉能够起到天然胶水的作用，可以使碰撞的凹槽粘合。与PDMS相比，烹饪后的面团由于面筋变性和淀粉糊化，形变是不可逆的。此外，对凹槽结构进行微调会显著影响弯曲角度。在模拟中将凹槽壁的倾斜角从长方体形调整为截锥体形可以最大化弯曲角度，因为截锥状的凹槽可减少槽壁的碰撞，而狭窄的凹槽（如宽度为0.5毫米时），则会阻碍样品的进一步弯曲。
【溶胀理论分析和形状设计】
图. 溶胀过程中螺旋形变的理论分析和实验验证
在基板一侧设计多个平行凹槽，在溶胀后可以得到螺旋状样品，使用PDMS模型分析并验证了这种螺旋形变的产生。平行凹槽与基板的角度β是影响螺旋结构的关键参数，螺旋圈数n，螺旋节距p和螺旋角γ与角度β、长度L以及曲率（κb）的关系如下所示：
β为90°时，样条只是在平面内卷曲，而角度降为80°时，样条溶胀后呈现螺旋上升的形变。
此外，环形平面基板上的径向凹槽能够诱发样条卷曲成截圆锥体，如下图所示。
而影响形变结果的重要参数是有效凹槽间隙g，也就是相邻凹槽之间的距离。为了量化凹槽间隙对变形的影响，在其他凹槽参数固定的条件下，对比PDMS基板上凹槽间隙为1.5mm和6.5mm的两个样品 ，发现弯曲曲率（κb）与凹槽的周期（g + w）成反比：
图. 溶胀过程中截锥体形变的理论分析。
而在实验中，形变结果与预测略有偏差，边缘的高度总是大于中心的高度，因为侧面能够与溶剂更好地接触，从而增加了溶胀率。通过这些发现，可以设计出不同形状的意大利面，方法仅是在面片上制造出多个凹槽，方便且快捷，非常适用于流水线生产。
【花式意面线上教学】
图. 花式意面的制备过程
将112克粗面粉和43克水倒入混合器（SM-50，Cuisinart）中，混合15到20分钟得到面团，存储在拉链袋中，以保持面团的水分。使用辊式压片机（Atlas 150，Marcato）将面团压成150毫米宽，厚度不等的面片，大多数实验样品的厚度为2毫米。然后将面团切成合适的尺寸和形状。接着使用一侧具有凹槽的定制模具在面片上冲压。烹饪前，将带凹槽的面片在空气中放置20分钟，保证一致的实验条件。将带凹槽的面条放入沸水中，面团在7到12分钟内即可达到最大弯曲曲率。使用这种变形机制可以大大减少包装浪费，通过运输带凹槽的扁平化面片，能够显著降低包装袋中的空气，从而减少包装和运输过程中的碳足迹。相较于螺旋意面来说，使用扁平状带凹槽的意面能够节省近60%的包装空间。
【结论】
通过设计平行和径向的凹槽图案，可以使扁平样条在溶胀后变形为螺旋形或截锥体，这种设计原则在PDMS和意面面团上得到了验证。利用这种变形机制能够大大减少包装浪费，在运输过程中节省空间从而减少塑料袋的使用并降低运输成本，有利于减轻污染。此外，这种基于扁平食品或其他柔软物体的简单设计工艺可应用于与制造业相关的多个领域，有望降低机器操作的复杂性，提高可持续性和工作效率。当然，由于天然食材的诸多不确定性，仿真模拟还需要进一步优化，以保证其能更为准确地预测变形。
文章来源：
ScienceAdvances 05 May 2021:Vol. 7, no. 19, eabf4098
DOI: 10.1126/sciadv.abf4098
全文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/7/19/eabf4098
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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