综述：迈向智能培育肉工厂：人工智能、3D生物打印与自动化在下一代食品制造中的协同作用

本综述系统探讨了人工智能（AI）、机器学习（ML）与自动化技术在3D生物打印培育肉领域的融合应用，揭示了其通过优化生物墨水、实现实时打印调控与构建智能工厂，大幅降低生产成本、提升质构仿真度与产能的巨大潜力，为可持续蛋白质供应提供了创新解决方案。

　　

Role of 3D bioprinting in cultured meat production

3D生物打印已成为培育肉制造的核心技术，其能够精确组装细胞、支架与生长因子（统称为生物墨水），层层沉积以构建复杂的三维类肉组织。在多种模式中，挤出式生物打印最为常用，因其兼容高粘度、负载细胞的食品级生物墨水。然而，基于墨盒的系统存在更换不便、限制连续沉积与生物墨水体积的问题，且打印后细胞活力可能因机械应力而下降。光辅助生物打印（如立体光刻或数字光处理）能实现更高分辨率与更快的速度，但可用光交联食品材料有限，且紫外线可能损害细胞。新兴的悬浮打印等技术则致力于提升复杂结构的制造能力。总体而言，生物打印能优化培育肉的风味、外观与质地，更好地仿真真实肉类。

AI in bioprinting-driven cultured meat production

人工智能（AI）与机器学习（ML）正变革生物打印流程。传统手动调参在大规模、多细胞类型与食品级生物墨水应用中难以施行，而AI能分析庞大数据集以预测理想打印条件，最小化试错，优化资源使用。关键应用包括：AI驱动生物墨水配方优化，通过算法预测材料特性（如流变性、凝胶化）与细胞行为（活力、增殖）；打印参数智能优化，利用ML模型（如神经网络、贝叶斯优化）自动调整喷嘴直径、温度、压力、打印速度等，以平衡分辨率与细胞存活率；基于计算机视觉的实时打印监控与缺陷检测，通过摄像头与传感器捕捉过程数据，AI算法即时调整参数补偿偏差；以及打印结果预测建模，提前评估细胞活力、组织成熟度与最终产品质构。

Automation in bioprinting for cultured meat production

自动化是实现高通量制造的关键。机器人集成系统能自动化处理生物墨水装载、打印平台管理、打印后处理（如交联、转移至生物反应器）等任务，减少人工干预、提升可重复性与效率。例如，多轴机械臂可与生物打印机协同，执行样本转移、清洁或多任务操作；自动化生物反应器集成则实现打印后组织的持续培养，通过传感器监测与控制环境条件（pH、温度、营养供应）。这些系统共同支撑连续、规模化生产，降低劳力成本并提高产能。

Synergistic platforms and smart manufacturing

协同平台与智能制造概念正推动“智能生物打印工厂”的诞生。此类工厂整合机器人自动化、AI/ML、物联网（IoT）与3D打印技术，管理从细胞扩增到最终产品包装的完整工作流。AI作为中央控制系统，协调各环节：优化生物反应器中的细胞生长，调度打印任务，监控质量，预测维护需求，甚至动态调整生产计划基于实时需求。闭环反馈系统确保整个过程自校正，最大化效率与一致性。早期公司已开始采纳此类策略，为未来端到端自动化培育肉生产奠定基础。

Challenges and opportunities

尽管前景广阔，AI、ML与自动化在培育肉大规模生产中仍处早期。主要挑战包括：缺乏端到端自动化/AI驱动工作流；高成本食品级材料与基础设施；保证打印组织在放大过程中细胞活力与功能；以及监管与消费者接受度问题。然而，机遇同样显著：跨学科合作（组织工程、食品科学、机器人学、AI）加速创新；开源数据集与算法促进领域发展；技术进步持续降低细胞培养与打印成本；以及可持续蛋白质需求的全球增长驱动投资与研发。

Conclusion

AI、ML与自动化技术与3D生物打印的融合，正为培育肉生产带来革命性潜力。通过优化流程、提升精度、实现实时控制与规模化，这些技术有望解决当前面临的成本、产能与质构仿真挑战。尽管完全集成智能工厂尚未实现，但早期进展清晰描绘出一条通向可持续、可负担培育肉生产的道路，对满足未来蛋白质需求具有重大意义。

CRediT authorship contribution statement

Saumya Saraswat: 撰写初稿，概念化。Twinkle Bhargava: 审阅与编辑。Juhi Landge: 审阅与编辑。Kamalnayan Tibrewal: 指导。

Declaration of generative AI and AI-assisted technologies in the writing process

论文准备期间，作者使用ChatGPT以提高提交文章的可读性。使用此工具后，作者根据需要审查并编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

Funding

本研究未从公共、商业或非营利部门资助机构获得任何特定资助。

Declaration of competing interest

作者声明不存在已知可能影响所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgment

无。