論文《The physics of tossing fried rice》

作者 | David L. Hu，Hungtang Ko

編譯整理 | 科技行者

炒飯，幾乎是每一家中餐館的傳統(tǒng)食物之一，而真正可口的炒飯需要「持續(xù)的高溫」和「持續(xù)的翻炒」，最終制成一道美味的佳肴——烹飪過程總是與化學原理相關(guān)，但也經(jīng)常涉及物理原理。

64.5%的中餐廳廚師在調(diào)查中稱，調(diào)整翻勺正是導致該職業(yè)肩頸疼痛的核心原因之一。最近，來自喬治亞理工學院的物理學家教授David L. Hu和研究生Hungtang Ko，在《Royal Society: Interface》期刊發(fā)表了一篇論文《The physics of tossing fried rice》，他們設(shè)計出一套模型，用以解釋炒飯的顛勺動作原理，希望幫助廚師減少重復勞動，介紹如何能制作出完美的炒飯。

炒飯的歷史最早可追溯到1500年前。起初，在漢代（公元前206年至公元220年），顛勺的最初用途在于“烘干食物”，而非“烹飪食物”。而顛勺手法帶來的高人氣餐食之一，正是炒飯——這種色澤金黃誘人的食品，起源于1500年前的隋朝（公元581年至619年）。

顛勺，為人們帶來了期待已久的焦香與鍋氣（鑊氣）。顛勺是一種褐變類型，只有在炒鍋表面達到1000°C時，才會發(fā)生這種“美拉德反應(yīng)”，即氨基酸與碳水化合物在高溫下發(fā)生化學作用，從而導致肉類出現(xiàn)褐變。在高溫下，廚師快速翻勺的動作能夠確保米粒只發(fā)生褐變，而絕不致焦糊。

2018年夏季與2019年夏季，Ko與Hu先后在中國大陸以及中國臺灣拍攝了五位專業(yè)廚師的炒飯過程，并從錄像當中提取顛勺頻率數(shù)據(jù)。（他們向受訪者明確解釋了錄制素材的作用，即僅用于科學研究，絕不會在電視上公開放映）

在臺灣的兩家餐廳，廚師使用的炒鍋重1.4公斤，寬39厘米，深13厘米。廚師們會烹制一份常規(guī)炒飯，主要成分包括大米、雞蛋、豬肉、胡蘿卜以及玉米，烹飪完成的炒飯重約0.3公斤。

在出鍋之前，廚師們大概需要完成2分鐘左右的炒制過程，平均每份炒飯需要顛勺276次，每次顛勺平均時長約0.3秒，具體步驟包括：預熱炒鍋，按順序加入食材，用鍋鏟將食材混勻，翻勺顛炒。

在烹飪當中，翻勺顛炒的次數(shù)并不太多，只是偶爾出現(xiàn)。但在廚師加入所有食材之后，往往會連續(xù)進行五次顛炒，同時用鍋鏟將個別粘連在炒鍋上的米粒除下。

整個過程的運行軌跡分兩種：一種是，向前推動炒鍋，并順時針旋轉(zhuǎn)，以接住顛勺騰空的米粒；另一種是，向后拉炒鍋，以逆時針方式接住米粒。

本質(zhì)上，炒飯相當于進行兩種運行方向：平移（使米粒沿炒鍋滑動），翻轉(zhuǎn)（將米粒拋向空中）——“其中的要訣，是將灶臺邊緣作為活動支點。”另外，這兩種運動具有相同的頻率，但相位略有不同。

▲ 圖：炒飯顛勺運動學。（a）在美國喬治亞州亞特蘭大Chin Chin餐廳中，廚師正在進行顛勺，圖片來源/Candler Hobbs；（b-e）顯示顛勺過程中炒鍋運動的圖像序列，彩色的點顯示出研究人員在視頻中跟蹤的點，注意，炒鍋左端點沿順時針方向行進，炒鍋右端點則沿逆時針方向行進，兩條軌跡皆標記為藍色；炒鍋中央位置的行動軌跡標記為紅色，連桿擺動模型疊加在圖像序列的上方，用以顯示模型變量θ1與θ2的演變過程。

▲ 圖：用于表達顛勺運動的數(shù)學模型。（a）展示數(shù)學模型示意圖。（b）炒鍋上各預設(shè)點的運動軌跡，在廚房坐標系中以灰色繪制。實驗數(shù)據(jù)用藍色實心點表示，模擬數(shù)據(jù)用灰線表示。炒鍋最左側(cè)與最右側(cè)部分的運動軌跡，同模擬結(jié)果最為吻合。綠線定義炒鍋參數(shù)。角度ζ 表示炒鍋上的位置，角度區(qū)間從-ζmax到ζmax不等。常數(shù)L、D以及W分別代表炒鍋的半徑、深度與寬度。（c）擺角θ1 (red)與θ2 (blue)。各點表示實驗，各線表示模型。灰色區(qū)域代表米粒在顛勺過程中的滯空階段。（d）為炒飯過程中，五位專業(yè)廚師的各自顛炒次數(shù)，不同顏色代表不同廚師。

在確定了基本運動軌跡之后，Ko與Hu寫道，事實證明，只需要兩個變量就能準確模擬炒鍋的運動，且運動軌跡可通過雙連桿擺錘實現(xiàn)。

而由于廚師很少會在炒飯過程中將鍋從爐子上取下，因此整套運作可以只涉及“單一滑動接觸點”。他們的模型利用三項指標，基于彈丸運動特性，預測了炒飯過程中米粒的運動軌跡，分別為：拋擲起的米粒比例，米粒的飛行高度，以及米粒的角位移。

Hu解釋道，在經(jīng)過簡化之后，整個運動軌跡類似于“翻轉(zhuǎn)煎餅或者米粒雜耍”，其中的訣竅，在于炒鍋內(nèi)的溫度可達到1200攝氏度，為了避免快速焦糊，廚師必須確保米粒不斷離開鍋體，以稍稍得到冷卻，如此一來，米粒本身的水分將慢慢收干，而由此炒出的米飯既可充分褐變，但又不致焦糊。

根據(jù)Hu與Ko的分析，他們建議，廚師們進一步增加炒飯過程中的顛勺頻率，以保證兩種不同運動之間出現(xiàn)“相位滯后”——即盡可能讓米粒的滯空時間更長，促進充分冷卻與充分混合。

Hu與Ko希望，通過這套數(shù)學模型，可以總結(jié)出烹飪炒飯的最佳方案，并提出對現(xiàn)有炒鍋結(jié)構(gòu)加以改進的方法，更重要的一大目標在于，通過這項研究，衍生出顛勺機器人，以及廚師專用“可穿戴式外骨骼或者類似裝置”，以減少廚師罹患肌肉拉傷的幾率。

事實上，大多數(shù)亞洲美食均采用顛勺工藝，而在中式餐廳，廚師需要完成大量顛勺。長期以來，人們懷疑炒鍋本身的重量加上操作速度，正是引發(fā)從業(yè)者高勞損幾率的重要原因。在面向中式廚師的肌肉骨骼疾病研究中，炒鍋成為經(jīng)常被提及的“罪魁禍首”。2014年，炒鍋被歸納為需要研究并調(diào)整設(shè)計工藝的幾項核心風險因素之一。顛勺動作需要的精確肌肉活動并不確切，但很可能嚴重依賴于肩部。由于烹飪過程大量使用肩部發(fā)力，因此肩頸不適成為中式餐廳廚師群體中最常見的疾病之一，患病率高達64.5%，有九分之一的廚師因肩部不適而被迫選擇離職。從這個角度來看，了解顛勺動作中的基本原理，將成為解析相關(guān)身體勞損難題的重要前提。

自上世紀五十年代以來，人們開始對烹飪自動化產(chǎn)生濃厚興趣。最近幾年出現(xiàn)的烹飪機器人技術(shù)研究，主要集中在利用機器人模仿人類廚師完成烹飪操作，例如切割、燉煮、油炸以及添加配料等。對于諸如翻轉(zhuǎn)煎餅等動態(tài)任務(wù)，機器人也能夠利用機器學習算法，快速掌握個中竅門。

也有人嘗試實現(xiàn)炒飯的自動化，但目前來看效果不夠理想。

一方面，大多數(shù)顛勺設(shè)備采用旋轉(zhuǎn)，攪拌，或者搖動等方式，實現(xiàn)配料混合。1957年，Wang發(fā)明出一種攪拌機器人，能夠利用旋轉(zhuǎn)滾筒，以類似于洗衣機的方式實現(xiàn)配料混合；上世紀八十年代末，新的設(shè)計則開始引入自動攪拌工具，例如鍋鏟等；到九十年代，工程師們著手將這些方法結(jié)合起來，開發(fā)出一種“翻鏟一體炒鍋”，能夠像翻轉(zhuǎn)煎餅一樣翻轉(zhuǎn)食材，并利用自動鍋鏟，防止食材在高溫下相互粘連。然而，雖然這類設(shè)備能夠通過旋轉(zhuǎn)或搖動實現(xiàn)食材的充分混合，但由于缺少顛勺環(huán)節(jié)，因此無法實現(xiàn)決定高溫烹飪風味的谷物碳化過程。

另一方面，還有一些餐廳利用機器人準備食物，但效果依然差異。比如，一家位于美國馬薩諸塞州波士頓市的餐廳Spyce，利用轉(zhuǎn)筒以0.5 Hz的頻率混合并加熱中餐，能夠?qū)I(yè)廚師的顛勺動作縮減至原先的六分之一——由于翻動速率較低，食物未能得到充分拋擲，因此有理由懷疑，這套設(shè)備需要降低炒鍋溫度以避免焦糊，但這同時也令美拉德反應(yīng)變得無法實現(xiàn)；再比如，來自新加坡樟宜機場的Ruyi餐廳，他們于2014年展出了自己的最新顛勺機，然而盡管這臺顛勺機將翻動頻率提升到了2 Hz，但仍然不足以讓食材如人工操作般得到充分拋擲。

Hu指出，“如果能開發(fā)出一種理想的自動化方案，可能會給廚師帶來新的希望。”

該論文這項工作出自喬治亞理工學院David Hu實驗室，作者為David L. Hu和研究生Hungtang Ko（Ko也是2019年一篇“關(guān)于火蟻集體建造木筏中的物理學原理論文”的聯(lián)合作者）。該實驗室主要對螞蟻、水黽、蛇、各類爬行動物，蚊子，貓舌獨特屬性，以及動物體的排泄等活動特性開展研究，并憑借“關(guān)于袋熊為何會排出方形糞便”的研究獲得2019年搞笑諾貝爾獎。

【注】該論文《The physics of tossing fried rice》下載方式：關(guān)注科技行者（ID：itechwalker），回復關(guān)鍵詞“炒飯”，即可獲取。