CN115119897A - 3d打印肉打印方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种3D打印肉打印方法及系统，方法包括以下步骤：获取肉排截面图片；根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，所述打印分布点包括肌肉打印点和肥肉打印点；根据打印需求生成各肌肉和肥肉纤维在纵向上的打印长度；根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，所述起始坐标和打印结束坐标为三维坐标；根据各所述纤维的打印起始坐标和打印结束坐标生成打印文件；根据所述打印文件进行肉排打印。本方案可以根据图片模仿肉纹，也可以根据需要设置肥瘦程度。

Description

3D打印肉打印方法和系统

技术领域

本申请涉及3D打印技术和人造肉技术，特别是一种3D打印肉打印方法和系统。

背景技术

蛋白质是人体内细胞、组织组成的重要成分，肉类产品是日常生活中蛋白质的主要来源之一。随着人口增长，全球肉类产品需求量极大上升，由于畜牧用地限制，单纯依靠传统畜牧业无法满足日益增长的蛋白质需求，且不利于可持续发展。因此，人们提出了用植物蛋白、细胞培育肉等替代传统动物蛋白的解决方案。采用大豆蛋白等植物成分通过挤压来模拟肉类的方式是生产具有肉类口感蛋白产品的一个有效途径，其中采用3D打印技术辅助挤压方式来进行肌肉、脂肪的重新排布能够较好地模拟肉类纹理及质感。在植物蛋白中引入细胞进行3D打印或直接通过生物打印的方式进行含有细胞的生物墨水的打印，经过后续培养成完整组织结构，不仅能更好的模拟肉类纹理及质感，同时能使组织更富有肉类风味。同时，3D打印技术在细胞培养、组织工程领域的应用也有助于达到真实的仿生效果。

打印路径的生成是打印物体能够真实反应物体结构、机械性能的关键之一。有现有技术通过对木纹图片进行图像处理、提取木纹轮廓线生成打印路径G代码并进行打印，提供了一种基于木纹的仿生3D打印方法。该发明虽然提供了一种仿生打印思路，但无法直接应用于食品打印、生物打印中对肉类组织的仿真。有现有技术中通过使用3D打印技术控制包括蛋白基材料、脂肪基材料、血液替代物三种材料在内的排布制造肉排类产品，特别提供了一种模拟肉类纤维感和各向异性特质以接近真实肉质纹理的切片方式。该发明中的打印路径规划虽然一定程度模拟真实肉质纹理，但是没有提供一种可定制化肌肉、肥肉比例的自动打印路径生成方法。

目前针对应用3D打印加工人造肉的方法，普遍采用传统挤出式打印的方法，另外在组织工程领域应用一种液下悬浮打印方式成功生产了模拟和牛的细胞培养肉。

现有针对肉排打印路径的快速生成方法主要是基于前面描述的基于物体外壳信息的路径规划方法，该方法虽然能快速生成完整块状肉的打印路径但很难真实模拟肉质纹理，而部分方法虽然在很大程度上模拟真实肉质纹理，但很难应用于肉排的定制化生产中，无法针对任意肉质纹理快速、自动地生成打印路径，且无法进行肌肉、肥肉比例的快速调整。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种可以仿制真实肉排纤维和肥瘦比例的3D打印肉打印方法及系统。

一方面，本申请实施例提供了一种3D打印肉打印方法，其包括以下步骤：

获取肉排截面图片；

根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，所述打印分布点包括肌肉打印点和肥肉打印点；

根据打印需求生成各肌肉和肥肉纤维在纵向上的打印长度；

根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，所述起始坐标和打印结束坐标为三维坐标；

根据各所述纤维的打印起始坐标和打印结束坐标生成打印文件；

根据所述打印文件进行肉排打印。

在一些实施例中，所述根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，具体是：

将所述肉排截面图片转换为灰度图片；

根据肌肉比例确定分割阈值；

根据所述分割阈值将所述灰度图片进行二值分割，得到二值图；

将二值图的像素转换成打印像素，从而得到所述打印分布点。

在一些实施例中，当采用液下悬浮打印法进行肉排打印时，对纤维的打印长度根据液面高度进行补偿。

在一些实施例中，所述对纤维的打印长度根据液面高度进行补偿，具体包括：

根据蒙版图片确定打印区域；

计算新增打印体积和未打印区域面积；

每打印一列纤维都基于前一列打印的纤维的打印高度对后一列打印的纤维的打印高度进行补偿，其中，增加的补偿高度为前一列新增打印体积除以后方未打印区域面积。

在一些实施例中，当打印区域为圆形时，通过以下方式计算每列的打印高度：

所述公式中r为打印区域的半径，w为打印像素宽度，p为肌肉比例，α为实际出丝直径与预设的打印像素宽度间的调整参数，所述参数α范围为0-1。

在一些实施例中，所述将二值图的像素转换成打印像素，从而得到所述打印分布点，具体包括：

计算一个打印像素包含的图片像素的数量；

遍历一个打印像素中的所有的图片像素，并计算其中肌肉点占一个图片像素中的占比；

若该占比大于等于预设的肌肉占比则将该打印像素设为肌肉打印点，否则设为脂肪打印点。

在一些实施例中，进行肉排打印时采用挤出式打印或者悬浮打印，打印材料包括植物蛋白、植物油脂、膳食纤维、可食用胶体、细胞外基质组分、细胞、含有细胞成分的生物墨水、肉糜中的至少一种。

在一些实施例中，所述打印文件采用G-code格式。

在一些实施例中，根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，具体是：

根据打印方式和打印方向，结合各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标。

另一方面，一种3D打印肉打印系统，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行所述的3D打印肉打印方法；

3D打印机，用于根据所述打印文件打印肉排。

本申请实施例通过获取肉排截面图片；然后根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，所述打印分布点包括肌肉打印点和肥肉打印点；接着根据打印需求生成各肌肉和肥肉纤维在纵向上的打印长度；并根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，所述起始坐标和打印结束坐标为三维坐标；从而生成打印文件进行肉排打印；通过本方案可以基于真实的肉类图片得到正常肉排的肉纹，然后可以基于所需的肥瘦程度选择对应的图片来进行处理，可以达到调整不同肥瘦程度并且真实模仿肉纹的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种肉排打印方法的流程图；

图2为对打印过程中打印方向、前进方向、已打印区域、未打印区域的说明；

图3为打印区域是圆形时公式推导说明图；

图4是生成肌肉、脂肪二维分布位点的算法流程图；

图5为针对悬浮打印方式纤维垂直于液面方向打印，打印贯穿整个液面时的高度补偿算法流程图；

图6为针对不同打印方式三维位点的分配流程；

图7为针对不同纹理截面及肌肉比例的打印位点分布生成过程及结果；

图8为进行高度补偿后的一个实例；

图9为一个打印实例；

图10为一个打印成品实例；

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本申请实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本申请的技术方案，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本申请实施例提供了一种3D打印肉打印方法，其包括以下步骤：

S1、获取肉排截面图片。

例如，可以获取一个牛扒的截面图片。一般情况下，截面是指切断肉质纤维的截面，可以理解为与肉质纤维垂直的平面。通常这个截面才能反应肉排的纹路。

S2、根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，所述打印分布点包括肌肉打印点和肥肉打印点。

具体地，步骤S2包括：

S21、将所述肉排截面图片转换为灰度图片。

S22、根据就肌肉比例确定分割阈值。

其中肌肉比例可以由用户输入，那么系统可以根据肌肉比例和灰度图片的情况确定出分割阈值，使得后续得到的二值图中黑点和白点的比例与肌肉比例相同。例如，有100个像素，假设肌肉比例设置为1:1，那么分割阈值就是将100个像素点分成各为50个像素的两个集合。所述阈值确定方法可以是：遍历灰度图所有像素点统计0-255个灰度值的像素总数，从灰度值为0开始往上累加像素数并计算其相对于灰度图总像素的比例直至该比例大于预设的肌肉占比，该灰度值即为所设阈值。

S23、根据所述分割阈值将所述灰度图片进行二值分割，得到二值图。

通过二值分割之后，可以用黑点(0)对应肌肉点，白点(1)对应脂肪点。那么从原理上，假设打印像素和二值图像素是1:1的转换关系，那么可以按照二值图的方式直接进行打印。可以将肌肉点和脂肪点记录在数组之中。

S24、将二值图的像素转换成打印像素，从而得到所述打印分布点。

当然，实际上打印像素和二值图的像素并非一对一的关系，实际上，打印像素可能会比图片像素更大，即一个打印像素可能对应对多个图片像素。因此，需要通过一定的方式将两者进行转换，才能确定打印机需要在什么位置打印什么。

步骤S24，具体包括：

S241、根据二值图的尺寸和打印区域大小计算一个打印像素包含的图片像素的数量。打印区域可以由蒙版确定，通过蒙版可以设置出任意的形状。本步骤实际上确定每个打印像素中有多少个图片像素。

S242、遍历一个打印像素中的所有的图片像素，并计算其中肌肉点占一个图片像素中的占比。例如，一个打印像素对应的是9个图片像素，那么本步骤计算9个图片像素里面肌肉像素的比例。

S243、若该占比大于等于预设的肌肉占比则将该打印像素设为肌肉打印点，否则设为脂肪打印点。在部分方式中，可以按照数量的多寡来确定这是肌肉打印点还是脂肪打印点。例如，肌肉超过50％的占比就设置成肌肉打印点。

S3、根据打印需求生成各肌肉和肥肉纤维在纵向上的打印长度。

可以根据需要生成的肉的厚度需求来确定纵向上的打印长度。当然，可以理解的是，在实际打印的时候，可以分层打印，在本步骤中所确定的打印长度可以是总的长度。

S4、根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，所述起始坐标和打印结束坐标为三维坐标。

在本步骤中，确定各打印点之后，根据纤维的长度就可以确定出起点和结束点的三维坐标，这样就可以实施肉排的打印。在打印时，可以从不同的方向进行打印，在不同的打印角度的时候，打印坐标会有所不同。根据打印方式和打印方向，结合各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标。

S5、根据各所述纤维的打印起始坐标和打印结束坐标生成打印文件。所述打印文件采用G-code格式，G-code格式，可以适配多种3D打印机，当然也可以采用其他可以被3D打印机识别的格式。

S6、根据所述打印文件进行肉排打印。

在打印肉排的过程中，可以采用挤出式打印或者液下悬浮打印，打印材料包括植物蛋白、植物油脂、膳食纤维、可食用胶体、细胞外基质组分、细胞、含有细胞成分的生物墨水、肉糜中的至少一种。悬浮打印是一种近年来广泛用于生物医疗领域的打印技术，这种技术在传统挤出式打印的基础上增加凝胶类物质和液体混合的支撑介质。悬浮介质在静置状态下处于类似固体的状态，在挤出针头和墨水扰动下产生了屈服应力，从而发生了介质流化现象，即悬浮介质由原有固体状态变成具有流动性的液体状态。由于悬浮介质具有自愈能力，在挤出针头运动过的区域悬浮介质能够自动填充针头划过的裂缝并恢复至原来的固体状态，提供克服挤出材料重力的支撑力，从而起到支撑打印材料的作用，因此这种打印方式能实现三维空间的全方向打印。

当采用悬浮打印法进行肉排打印时，因肌肉墨水的不断填入，会导致后打印区域液面上升，为使打印纤维束贯穿整个液面方向，需要对纤维的打印长度根据液面高度进行补偿。计算补偿的过程中做以下假设，(a)假设打印过程中前方已打印区域液面高度不变(悬浮介质流动性极低，忽略前方液面增高的影响)；(b)每列新增肌肉体积累加到后方未打印介质区域新增体积。

补偿过程具体包括(本方案可以用在任意形状的打印区域)：

S61、根据蒙版图片确定打印区域。

S62、计算新增打印体积和未打印区域面积。

S63、每打印一列纤维都基于前一列打印的纤维的打印高度对后一列打印的纤维的打印高度进行补偿，其中，增加的补偿高度为前一列新增打印体积除以后方未打印区域面积。可以理解的是，通过这样的方式对打印高度进行补偿可以确保每个纤维都贯穿液面，保证打印质量。当然，可以根据实际情况设置最大打印长度限制，避免打印长度过长导致质量不合格。

在一些实施例中，当打印区域为圆形时，通过以下方式计算每列的打印高度：

所述公式中r为打印区域的半径，w为打印像素宽度，p为肌肉比例，α为实际出丝直径与预设的打印像素宽度间的调整参数，所述参数α范围为0-1。推导过程如下，打印区域说明见图2，推导过程参考图3：

其中，新填入材料体积＝未打印区域新增体积。

其中，A是未打印的区域面积，L是打印列的长度，x是打印列所在的x轴坐标，z是打印高度，△x是打印列x轴上的增量，△z为打印列高度增量。

可以理解的是，肉排放置方式可以为竖直放置，即横向截面平行于x-y平面，或横向放置，即横向截面垂直于x-y平面。

所述肉排放置方式为竖直放置时，生成的肌肉、脂肪分布位点分布在x-y面，坐标为(x,y)，打印长度转化成的第三维度起、止坐标z，并由此生成两个(x,y,z)三维位点。

所述肉排放置方式为横向放置时，生成的肌肉、脂肪分布位点分布在x-z面或y-z面，坐标相应为(x,z)或(y,z)，打印长度转化成的第三维度起、止坐标相应为y或x，并由此生成两个(x,y,z)三维位点。

所述打印方式为悬浮打印时，生成的肌肉、脂肪分布位点分布在x-y面，坐标为(x,y)，打印长度转化成的第三维度起、止坐标z，并由此生成两个(x,y,z)三维位点。

本实施例提供一种3D打印肉打印系统，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行所述的3D打印肉打印方法；

3D打印机，用于根据所述打印文件打印肉排。

下面列举另外的一些实施例对本申请进行说明：

参照图4，本实施例提供一种打印区域为圆形，按照不同肌肉、肥肉比例及打印像素宽度生成肌肉、肥肉打印位点的实施例。

(1)分别输入两张带有雪花纹路的和牛截面照片。

(2)将输入的肉排截面图片转化为灰度图片，设置三组肌肉比例和打印像素宽度，见表1，遍历灰度图所有像素点，统计0-255个灰度值的像素总数，从灰度值为0开始往上累加像素并计算其相对于灰度图总像素的比例直至该比例大于预设的肌肉占比，以该灰度值为阈值将灰度图转化为二值图。

(3)根据图片尺寸和打印区域大小计算一个图片像素包含的打印像素点数，遍历一个图片像素中的所有打印像素并计算其肌肉点(黑色，值为0)相比于一个图片像素中的占比，若该占比大于等于预设的肌肉占比则将该打印像素设为肌肉点(值为0)，否则设为脂肪点(值为1)，完成将具有图片像素的数组转化为具有打印像素的打印数组。将含有圆形区域的蒙版图片转化为二值图，计算蒙版二值图中有效打印区域的横向、纵向最长尺寸像素数，将蒙版二值图转化成与打印数组相同大小的二维数组作为蒙版数组，并记录打印区域信息，根据蒙版数组遍历选取打印数组中在打印区域内的打印像素点。

(4)根据打印图片黑色(0)为肌肉点，白色(1)为脂肪区域，计算打印位置在截面上两个维度的坐标点并记录在数组中。

转化后的肌肉、脂肪分布位点以二值图方式显示见图7。该结果表明本发明提供的方法可以根据设置的肌肉、脂肪比例自动生成肌肉、脂肪分布位点。

表1：三组输入不同截面图片、肌肉比例和打印像素宽度的参数

组别	纹理图	肌肉比例	打印像素宽度
				1	和牛截面图1	40％	0.8mm
2	和牛截面图1	60％	0.8mm
				3	和牛截面图2	60％	0.5mm

本实施例以圆形打印区域为例，采用悬浮打印方式中的高度补偿方法，具体算法如图5所示，打印方向如图2所示。

(1)根据蒙版图片确定打印区域，将含有圆形区域的蒙版图片转化为二值图，计算蒙版二值图中有效打印区域的横向、纵向最长尺寸像素数，将蒙版二值图转化成与打印数组相同大小的二维数组作为蒙版数组，并记录打印区域信息，根据蒙版数组遍历选取打印数组中在打印区域内的打印像素点。

(2)沿着前进方向逐排寻找肌肉点并计算新增打印体积及后方未打印区域面积；

(3)初始高度设为5mm，沿着前进方向遍历每一列中所有像素点进行计算，沿着前进方向每打印一排其高度即比前一排增加一段高度，该补偿高度由前方打印注入材料引起，补偿高度＝前一列新增打印体积/后方未打印区域面积，该打印列高度＝前一列高度+补偿高度；

(4)根据实际情况设置最大打印长度限制，此处根据容器高度设为10mm。

计算后的打印区域各位点的高度以三维数组显示，见附图8，打印后结果见附图9。该结果表明本发明提供的针对悬浮打印贯穿整个液面打印的高度补偿方法符合实际情况并可应用于人造肉的生产中。

本实施例以悬浮打印为例，该打印路径生成方法应用于人造肉排的3D打印中。其中悬浮介质材料在打印过程中为半流动状态，可随肌肉材料排布被动排布，经加热固化后可模拟肥肉质地，因此针对本实施例可省略脂肪部分打印路径生成过程。

打印路径生成流程参见附图6中悬浮打印方式。

(1)同前述实施例，根据肉排截面图片及肌肉、肥肉比例生成横向截面上肌肉的分布位点，其中参考纹理图片为和牛纹理图片1，肌肉比例为50％，打印像素宽度为0.8mm；

(2)同前述实施例，根据打印需求生成各肌肉纤维纵向上第三维度的打印长度；

(3)步骤(1)生成的肌肉分布位点分布在x-y面，坐标为(x,y)，步骤(2)中生成的打印长度转化成的第三维度起、止坐标z，每条纤维由此生成两个(x,y,z)三维位点，并将打印路径以G-code格式输出生成G-code文件。

(4)使用3D打印机进行打印，打印墨水主要成分为植物蛋白、可食用胶体、植物油脂、细胞。

最终打印成品见附图9，经过加热等后处理后得到附图10。该结果表明本发明提供的打印路径生成方法可应用于人造肉的生产中。注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种3D打印肉打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取肉排截面图片；

根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，所述打印分布点包括肌肉打印点和肥肉打印点；

根据打印需求生成各肌肉和肥肉纤维在纵向上的打印长度；

根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，所述起始坐标和打印结束坐标为三维坐标；

根据各所述纤维的打印起始坐标和打印结束坐标生成打印文件；

根据所述打印文件进行肉排打印。

2.根据权利要求1所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，所述根据所述肉排截面图片生成横向截面上的打印分布点，具体是：

将所述肉排截面图片转换为灰度图片；

根据就肌肉比例确定分割阈值；

根据所述分割阈值将所述灰度图片进行二值分割，得到二值图；

将二值图的像素转换成打印像素，从而得到所述打印分布点。

3.根据权利要求2所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，当采用液下悬浮打印法进行肉排打印时，对纤维的打印长度根据液面高度进行补偿。

4.根据权利要求3所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，所述对纤维的打印长度根据液面高度进行补偿，具体包括：

根据蒙版图片确定打印区域；

计算新增打印体积和未打印区域面积；

每打印一列纤维都基于前一列打印的纤维的打印高度对后一列打印的纤维的打印高度进行补偿，其中，增加的补偿高度为前一列新增打印体积除以后方未打印区域面积。

5.根据权利要求3所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，当打印区域为圆形时，通过以下方式计算每列的打印高度：

所述公式中r为打印区域的半径，w为打印像素宽度，p为肌肉比例，α为实际出丝直径与预设的打印像素宽度间的调整参数，所述参数α范围为0-1。

6.根据权利要求1所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，所述将二值图的像素转换成打印像素，从而得到所述打印分布点，具体包括：

计算一个打印像素包含的图片像素的数量；

遍历一个打印像素中的所有的图片像素，并计算其中肌肉点占一个图片像素中的占比；

若该占比大于等于预设的肌肉占比则将该打印像素设为肌肉打印点，否则设为脂肪打印点。

7.根据权利要求1所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，进行肉排打印时采用挤出式打印或者悬浮打印，打印材料包括植物蛋白、植物油脂、膳食纤维、可食用胶体、细胞外基质组分、细胞、含有细胞成分的生物墨水、肉糜中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，所述打印文件采用G-code格式。

9.根据权利要求1所述的3D打印肉打印方法，其特征在于，根据各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标，具体是：

根据打印方式和打印方向，结合各纤维的打印分布点和打印长度确定各纤维打印起始坐标和打印结束坐标。

10.一种3D打印肉打印系统，其特征在于，包括：

存储器，用于存储程序；

处理器，用于加载所述程序以执行如权利要求1所述的3D打印肉打印方法；

3D打印机，用于根据所述打印文件打印肉排。

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