智東西 5 月 7 日消息，近日，英國劍橋大學(xué)的研究人員訓(xùn)練一個(gè)廚師機(jī)器人不斷“咀嚼”并品嘗食物，以此來模仿廚師的烹飪過程。
一道美味菜肴的誕生，依賴于廚師在烹飪過程中不斷品嘗味道、增減調(diào)料，在這個(gè)過程中，味覺就是人們判斷食物味道的重要指標(biāo)。
讓機(jī)器人也能“邊品嘗邊烹飪”，這雖然聽起來有些荒誕，但該論文的第一作者、劍橋大學(xué)工程系的 Grzegorz Sochacki 說：“我們希望機(jī)器人能夠理解味道的概念，這將使它們成為更好的廚師?！?/p>
研究人員開發(fā)了一個(gè)裝有基于電導(dǎo)的味覺傳感器的 UR5 機(jī)械臂的實(shí)驗(yàn)裝置，通過混合食物模擬咀嚼、電流傳導(dǎo)復(fù)現(xiàn)鹽的味道，幫助機(jī)器人品嘗食物的“味道”。
▲ 研究人員的實(shí)驗(yàn)裝置
因此，經(jīng)過訓(xùn)練的機(jī)器人“廚師”可以在咀嚼過程的不同階段品嘗食物的鹽度，并將所含鹽度的信息生成數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，然后生成可視化的味道數(shù)據(jù)圖像。
該論文標(biāo)題為 Mastication-Enhanced Taste-Based Classification of Multi-Ingredient Dishes for Robotic Cooking（《面向機(jī)器人烹飪的基于咀嚼增強(qiáng)味道的多成分菜肴分類》）已于 5 月 4 日發(fā)表在瑞士開放存取出版商 Frontiers 旗下的機(jī)器人學(xué)術(shù)期刊 Frontiers in Robotics & AI（《機(jī)器人與人工智能前沿》）上。
鏈接：https://doi.org/ 10.3389 / frobt.2022.886074
01. 邊攪拌邊品嘗，模擬人類烹飪過程
烹飪是機(jī)器人自動(dòng)化領(lǐng)域的難題之一，多個(gè)研究人員參與研究了烹飪的不同自動(dòng)化環(huán)節(jié)，包括通過視覺反饋控制機(jī)器人煎香腸的時(shí)間、遠(yuǎn)程操作機(jī)器人裝飾蛋糕、用機(jī)械臂裝載洗碗機(jī)等。
也有研究人員使用“電子舌頭”來幫助機(jī)器人檢測肉類等，但這個(gè)過程往往需要切碎、分離或與酒精混合等復(fù)雜過程，才能使得“電子舌頭”發(fā)揮作用，而機(jī)器人廚師和人類廚師在烹飪過程中最大的區(qū)別是人類廚師可以在烹飪中“邊嘗邊做”。
因此，現(xiàn)有的解決方案對(duì)于機(jī)器人“廚師”來說不夠及時(shí)。該論文的共同作者、劍橋大學(xué)工程系博士 Arsen Abdulali 說：“目前的電子測試方法只從均質(zhì)樣本中獲取一個(gè)快照，因此我們希望在機(jī)器人系統(tǒng)中復(fù)制更真實(shí)的咀嚼和品嘗過程，這應(yīng)該會(huì)產(chǎn)生更美味的最終產(chǎn)品?！?/p>
事實(shí)上，人們在咀嚼食物時(shí)，會(huì)品嘗到其味道和質(zhì)地的變化，例如，在夏天當(dāng)我們咬一口新鮮番茄，番茄就會(huì)釋放汁液，再加上人類咀嚼時(shí)釋放的唾液和消化酶，就會(huì)改變我們對(duì)番茄味道的感知。
研究人員該論文的第一作者、劍橋工程系的 Grzegorz Sochacki 說：“大多數(shù)家庭廚師都會(huì)熟悉邊吃邊吃的概念 —— 在整個(gè)烹飪過程中檢查一道菜，以檢查口味的平衡是否正確。如果機(jī)器人要用于食物準(zhǔn)備的某些方面，重要的是他們能夠‘品嘗’他們正在烹飪的東西?！?/p>
劍橋大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)邊品嘗邊烹飪的方式能提高機(jī)器人快速準(zhǔn)確地評(píng)估菜肴咸味的能力。因此，研究人員訓(xùn)練其機(jī)器人裝置品嘗不同的西紅柿炒雞蛋，在咀嚼過程的三個(gè)不同階段品嘗九種不同的炒雞蛋和西紅柿，然后產(chǎn)生了不同菜肴的味道數(shù)據(jù)圖像。
▲ 實(shí)驗(yàn)過程
他們的研究結(jié)果可能有助于開發(fā)自動(dòng)化或半自動(dòng)化的食物制備，它可以幫助機(jī)器人學(xué)習(xí)什么味道好，什么味道不好。
02. 9 份菜各品嘗 3 次，生成可視化味道圖像
再現(xiàn)人類的咀嚼過程還可以提取更多咀嚼過程中的信息。研究人員稱，在食品機(jī)械加工的幾種狀態(tài)下品嘗可以顯著提高具有不同數(shù)量相同成分的食品的分類性能。
為了證明上述結(jié)論，研究人員模擬人類的品嘗過程建模，測量“咀嚼”過程中食物在不同階段的味道并生成數(shù)據(jù)。咀嚼是粉碎和研磨食物的過程，其主要目的是減小食物顆粒的平均尺寸，同時(shí)，較小的顆粒也能為消化酶提供更大的表面積來發(fā)揮作用。因此，咀嚼在品嘗過程中起著非常重要的作用，研究人員設(shè)置混合器來模擬該過程。
在味道的測量上，機(jī)器人通過電導(dǎo)傳感器重現(xiàn)鹽的味道，鹽度會(huì)隨著離子濃度、離子遷移率和離子電荷的增加而增加。
考慮到人體舌頭表面有多個(gè)感知的受體，研究人員會(huì)在實(shí)驗(yàn)中多個(gè)點(diǎn)品嘗并將味道表示為一系列測量值，為了模仿機(jī)器人廚師咀嚼和品嘗的人類過程，研究人員將一個(gè)類似于鹽度傳感器的探針連接到機(jī)器人手臂上，傳感器就可以移動(dòng)到多個(gè)位置上，該樣本的位置和數(shù)據(jù)最終生成包含味道數(shù)據(jù)的圖像。
▲ 9 道菜混合前后鹽度測量值的差異
研究人員準(zhǔn)備了 9 種鹽度和西紅柿含量不等的西紅柿炒雞蛋，隨后機(jī)器人使用探針來“品嘗”菜肴，并在幾秒鐘內(nèi)返回讀數(shù)。
該讀數(shù)也就作為味道的數(shù)據(jù)信息來生成圖像。該圖像基于 2 個(gè)參數(shù)，分別是測試點(diǎn)的數(shù)量和盤子大小，測試點(diǎn)呈正方形網(wǎng)格分布。
▲ 不同混合階段中不同添加劑菜品的電導(dǎo)測量直方圖。
實(shí)驗(yàn)過程中，混合過程是無法控制每道菜都完全相同的，因此，研究人員在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)讓機(jī)器人對(duì)每道菜品嘗 3 次，但研究人員只使用第一次和最后一次品嘗進(jìn)行分類，以提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。
第一次品嘗是在未混合的食物上進(jìn)行的，然后，機(jī)器人將樣品混合幾秒鐘并再次品嘗，此測量僅用于可視化。最后機(jī)器人在最大 RPM 下再混合 60 秒后，再次品嘗這道菜，咀嚼不同時(shí)刻產(chǎn)生不同讀數(shù)進(jìn)一步豐富味覺圖的數(shù)據(jù)信息。
03. 未混合食材鹽度差距明顯，但無法分辨同質(zhì)化樣本
從實(shí)驗(yàn)生成的味覺圖中可以看出，未混合的樣品會(huì)顯示出非常明顯的電導(dǎo)率降低區(qū)域，也就是沒有鹽的地方，這些區(qū)域會(huì)和雞蛋之間存在非常清晰的邊界。最后一個(gè)樣本的數(shù)據(jù)電導(dǎo)分布則相對(duì)均勻，其電導(dǎo)值介于番茄和雞蛋的電導(dǎo)之間。
▲ 同一道西紅柿炒雞蛋在三個(gè)不同混合階段后的味道映射
研究人員稱，咀嚼的每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生明顯不同的味道數(shù)據(jù)，這也為實(shí)驗(yàn)提供了額外的信息。
根據(jù)這項(xiàng)研究，與其他電子品嘗方法相比，機(jī)器人評(píng)估咸味的能力有了顯著提高，這些方法通常很耗時(shí)，而且只能提供一次讀數(shù)。
研究人員表示，通過模仿人類咀嚼和品嘗的過程，機(jī)器人最終將能夠生產(chǎn)人類喜歡的食物，并且可以根據(jù)個(gè)人口味進(jìn)行調(diào)整。
Abdulali 說：“在我們的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人可以‘看到’食物被咀嚼時(shí)的差異，從而提高了它的味覺能力?！?/p>
與該項(xiàng)目合作的家用電器制造商 Beko 的高級(jí)科學(xué)家 Muhammad Chughtai 說：“我們相信機(jī)器人廚師的發(fā)展將在未來繁忙的家庭和輔助生活家庭中發(fā)揮重要作用。這個(gè)結(jié)果是機(jī)器人烹飪的一次飛躍，通過使用機(jī)器和深度學(xué)習(xí)算法，咀嚼將幫助機(jī)器人廚師根據(jù)不同的菜肴和用戶調(diào)整口味?！?/p>
即使一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果看起來很直觀，但在一些同質(zhì)化樣本下，該裝置的表現(xiàn)較差。事實(shí)上，混合不同量的鹽和西紅柿最終會(huì)產(chǎn)生相同的平均鹽度，由于傳感器的特定結(jié)構(gòu)，它并不能區(qū)分具有相同化學(xué)成分的 2 道菜。
此外，菜品的溫度、菜品是固態(tài)或液態(tài)等都會(huì)影響機(jī)器人在烹飪中的品嘗過程。
04. 結(jié)語：機(jī)器人自動(dòng)化烹飪，需對(duì)照人類味覺
此前，機(jī)器人的應(yīng)用通常集中于流程化、固定化的工序任務(wù)中，“品嘗”這一任務(wù)往往充滿了極大的不確定性，不同人們因自身特點(diǎn)不同，也會(huì)對(duì)食物味道產(chǎn)生不同的感受，足以證明機(jī)器人自動(dòng)化在烹飪領(lǐng)域的難度。
再加上人類在品嘗過程中會(huì)受唾液中化學(xué)成分的影響以及食物溫度、個(gè)人喜好等，因此研究人員稱，未來的工作將對(duì)唾液的研究，可能會(huì)為機(jī)器人增加人類唾液中存在的脂肪酶和淀粉酶的化學(xué)試劑。
機(jī)器人自動(dòng)化在烹飪領(lǐng)域的研究還存在不足，但將味道等信息變成可視化的數(shù)據(jù)能夠推動(dòng)研究進(jìn)一步深入。研究人員稱，他們將依照此次分類數(shù)據(jù)建立一個(gè)規(guī)范，作為比較機(jī)器人味覺與人類味覺心理物理學(xué)研究的基準(zhǔn)，并繼續(xù)擴(kuò)展這一概念在未來的延伸。
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