1. 评估细菌致死率

Fortune Business Insights 最近一项研究（参考文献 2）显示，消费者对保质期长且易于储存的罐头食品的需求多年来一直在稳步增加，并且这一趋势预计还将持续。食品灭菌对生产商来说非常重要，因为过程中的任何错误都可能导致有害甚至致命的细菌进入消费者的食品。COMSOL 认证咨询公司 BE CAE & TEST 使用 COMSOL Multiphysics^® 软件中的 App 开发器开发了一款定制仿真 App，用于估计灭菌过程中渗透进罐头食品内部的有效热量，从而评估细菌致死率。该仿真 App 可以帮助食品工程师使用精确的多物理场模型分析罐头食品安全，且无需学习如何使用仿真软件。

在仿真 App 中设置分析时，食品工程师可以轻松地从几种基本形状的容器三维几何中进行选择，或者导入自定义的几何图形；选择豆类、玉米和金枪鱼等各种类型的食品；指定热处理方法。如果没有特定食品热物理性质的参考数据，也可以通过输入其营养成分，包括碳水化合物、蛋白质、脂肪、纤维和灰分（矿物质含量）的百分比来轻松计算。还可以通过该 App 导入实验参考数据，获得随时间变化的蒸馏温度曲线，或通过指定加热坡度、热稳定阶段和最终冷却温度和持续时间来定义温度曲线。

BE CAE & TEST 用于评估罐头食品中细菌致死率的定制仿真 App，其中自定义的几何图形是一个装有金枪鱼的长方形锡罐。

通过在自定义输入框中输入感兴趣的数据，食品工程师可以使用该仿真 App 在瞬态分析过程中计算随时间变化的温度，用于确定热渗透如何影响各种罐头食品中的细菌致死率。有了这些信息的支持，他们就可以优化食品灭菌流程，降低有害细菌进入食品的风险。

了解有关他们的工作和这个仿真 App 的更多信息， 请查阅：分析灭菌过程中细菌致死率的 COMSOL 仿真 App

2. 优化通心粉干燥条件

对于意大利面生产商而言，面食干燥过程需要进行一系列耗时耗力的实验来确定最佳操作参数，从而获得稳定、优质的产品。全球最大的意大利面生产商 Barilla 与意大利 Calabria 大学合作开发了一个模型来预测意大利面干燥过程中的温度、水分分布和结构变化，进而优化干燥过程，确保产品质量并最大限度地减少能源消耗。

烘干意大利面所需的时间差异很大，具体取决于两个参数：

1. 空气温度（ 40^°C ~ 90^°C） 和相对湿度（40% ~ 85%）
2. 气流速度波动

该团队采用双域建模方法开发了一个模型，用于预测在湍流空气条件下干燥过程的温度和水分分布。该研究团队在模拟中使用了一个二维几何图形来表示一根”tortiglione “意大利面。

一根意大利面的基本几何形状。

他们使用有限元法将传热和传质方程耦合起来，并对模拟进行参数化以反映典型的工业条件。该模型考虑了食品在干燥过程中的收缩。总体而言，研究团队的仿真预测结果与干燥过程的实际结果相比，平均相对误差小于 9%。

收缩的影响和模型验证结果。

了解更多有关该团队工作的信息，请查阅： “Comprehensive analysis of the transport phenomena developing inside a pasta drying chamber

3. 分析液体食品包装的降解情况

液体食品包装必须能安全地保存食品，且不会让包装在接触液体时发生降解。这种包装通常由核心支撑材料纸板、保护食品的聚合物保护层和通过感应加热（IH）密封包装的薄铝层构成。世界领先的食品加工和包装解决方案商利乐公司（Tetra Pak）的一个团队对感应加热过程中的包装材料响应进行了建模和仿真，以了解不同属性如何影响包装的材料性能。

利乐纸盒包装的解剖图。

他们建立了自己的模型并模拟了感应加热-密封过程纸板中热量和质量传递的相互作用。该模型以铝层为边界条件，考虑了通过AC/DC磁场的涡流。他们使用多物理场耦合仿真来确定纸板的干燥如何受到内部气体压力的影响，以及纸板不同区域的干燥程度。仿真结果表明，当纸板的初始含水率较高且密度较低时，由于水分引起的降解较少，蒸汽更容易逸出，这一点在纸板最干燥的顶角处可以观察到。仿真结果还表明，模型预测与实验数据非常吻合。这些发现使利乐公司能够进一步优化其聚合物模型，从而减少材料浪费。

使用不同内压时间进行的三次仿真显示了纸板上表面的水分含量。

了解有关他们工作的更多信息，请查阅：模拟感应加热密封过程中纸板的质量和热量传递耦合。

4.改善烤箱气流

为了以最低的成本精确计算烤箱腔内的气流，烤箱制造商 UNOX SpA 正着手寻找最有效的仿真策略。作为这项工作的一部分，该团队使用 COMSOL Multiphysics^® 软件研究并比较了各种流体动力学仿真策略。

该研究包括三个步骤。首先，他们使用一个管道和带冷冻转子的风扇的简化域进行研究，该研究的计算成本较低，并且可以进行实验验证。接着，他们对实际烤箱风扇的复杂几何形状进行了完整模拟，包括冷冻转子和传热研究。该模拟非常精确，但计算量也很大。最后，他们进行了与前一项类似的分析，但在不模拟旋转风扇的情况下施加了速度曲线，从而降低了计算成本。

烤箱内的气流。

研究团队对这三个步骤的结果进行了分析，发现第三种策略能以最少的计算时间获得非常准确的结果，因此是其工作最有效的方法。

了解更多有关他们工作的信息，请查阅：烤箱中的流体动力学仿真：平衡精度与计算效率

5.应对巴氏杀菌的挑战

含水量低的食品可能会因耐热微生物的污染带来安全问题，因此蒸汽或热空气等典型的巴氏杀菌法无法奏效。微波加热可作为一种替代方法，但由于干燥食品的介电特性较低而面临一定挑战。来自工业微波和射频应用领域的全球领先企业 SAIREM 和法国高等教育机构 Oniris Nantes 的一个团队合作开发了仿真模型来研究这一过程的复杂性。

他们模拟了用 915 MHz 单模微波加热器加热石英管中辣椒粉的过程，并分析了管内的电场分布和局部温度。研究团队模拟了几组不同的介电特性值，结果显示，与损耗因子相比，介电常数的不确定性导致了更大的温度变化。他们还实际测量了辣椒的热物理性质，包括密度、热量和热导率，发现二者结果非常一致。要准确预测生产安全食品所需的温度，精确测量含水量低的食品介电特性非常关键。

在工作频率为 915 MHz 的微波腔内加热的石英管模型中的红辣椒粉末，显示了由于介电常数的不确定性导致的温度差异。

了解有关他们工作的更多信息，请查阅：介电常数对 915 MHz 微波腔中低水分食品巴氏杀菌的影响

多物理场仿真保障食品安全

这篇博客，我们了解了食品和饮料行业的工程师如何使用多物理场仿真和仿真App分析和优化与食品安全相关的产品和流程的5个真实案例。当然，这些案例只是这一领域的简单仿真。如需获取更多灵感，请至 COMSOL 官网查阅 食品和饮料行业的应用专题。

参考文献

1. Consumer confidence in food safety hit a record low in 2024. (2024, September 19). International Food Information Council. https://ific.org/media-information/press-releases/food-safety/.
2. The canned food market in the U.S. is projected to grow significantly. (2025, April 14). Fortune Business Insights. https://www.fortunebusinessinsights.com/canned-food-market-103258

工程师出身的摄影师

哈罗德·埃杰顿（Harold Eugene Edgerton）于 1903 年 4 月 6 日出生在内布拉斯加州弗里蒙特市。他的父亲 Frank Edgerton 曾担任内布拉斯加州助理司法部长。1925 年，埃杰顿从内布拉斯加大学林肯分校毕业，获得电气工程学士学位。之后，他在麻省理工学院继续攻读电气工程，并于 1931 年获得硕士和博士学位。在此期间，他还成为了一名讲师，并与 Esther May Garrett 结婚。

埃杰顿在成长过程中从他的叔叔 Ralph Edgerton 那里学会了如何拍摄和冲洗照片。然而，直到攻读工程学博士学位时，他才对摄影产生了兴趣。当他在为自己的论文研究同步电机时，遇到了一个问题。他注意到，电机旋转得太快，他无法清楚地观察。不久之后，他观察到用于向电机供电的电子管在功率激增达到峰值时会发出耀眼的闪光。埃杰顿发现，当闪光与电机的旋转部件同步时，就会产生电机静止不动的错觉，从而更容易进行研究。

1973 年哈罗德·埃杰顿正在研究声纳打印输出。在公有领域获得授权，通过 Wikimedia Commons 共享。原始照片来自 NOAA Monitor Collection。

开发早期的频闪灯

埃杰顿是频闪仪的早期使用者，频闪仪是频闪灯的早期版本。这种仪器由一个带槽或孔的旋转盘，或一个能产生短暂重复闪光的灯组成。与现代闪光灯类似，它可以用于使移动的物体看起来缓慢移动或静止不动。在他 1931 年的博士论文中，埃杰顿展示了他使用汞弧闪光灯制作的电机高速运动画面。

1932 年，他和他的学生兼同事 Kenneth Germeshausen 发布了他们开发的频闪仪的第一个商业模型。同年，埃杰顿晋升为麻省理工学院的助理教授。在长达 30 年的时间里，他申请了各种频闪仪和电子工程设备的 45 项专利，但他的频闪仪设计直到 1949 年才获得专利。

捕捉动作

埃杰顿最早的摄影主题之一是水龙头中流淌的水流。在拍摄多闪光灯照片时，埃杰顿使用的频闪灯设备每秒最多可闪烁 120 次。这使他能够突破极限，拍摄出超越以往的动作照片。他尝试拍摄的题材非常广泛，如气球爆炸、子弹击中苹果、一滴牛奶溅到盘子上等。1936 年，埃杰顿为蜂鸟专家 May Rogers Webster 拍摄的照片登上了《国家地理杂志》。他证明，使用十万分之一秒的曝光时间，可以拍摄到蜂鸟每秒振翅 60 次的清晰照片。

埃杰顿拍摄的 May Rogers Webster 和蜂鸟，1936 年。在公有领域获得授权，通过 Wikimedia Commons 共享。原照片收藏于美国国家博物馆。

1937 年，现代艺术博物馆举办了首次摄影展，其中包括埃杰顿早期的一张牛奶滴摄影作品。1957 年，他拍摄了一滴牛奶飞溅到平底锅表面的高速照片（见下图），将他捕捉完美冠冕的追求推向了顶峰。这张照片现在被认为是有史以来最重要的照片之一。1940 年，他主演的电影《Quicker ‘n a Wink》获得了奥斯卡奖，这部纪录片讲述了他在频闪摄影方面的工作。

埃杰顿的“牛奶滴冕”照片。图片已进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 获取。原照片由现代艺术博物馆收藏。

开发 Rapatronic 摄像机和发现沉船

他与 Germeshausen 和他以前的另一名学生 Herbert Grier 合作，成立了一家名为 Edgerton, Germeshausen, and Grier, Inc. 的咨询公司，后来简称为 EG&G。各行各业的公司都聘请他们来发现肉眼无法看到的运动部件问题。他们可以用闪光灯照射印刷机或制表机，使这些机器的运动瞬间凝固，从而帮助人们深入理解他们所面临的任何问题。

此外，埃杰顿还开发了rapatronic 摄像机 ，这是“快速电子”的谐音，是一种高速照相机，能够以 10 纳秒的曝光时间拍摄静止图像。该相机使用两个偏振滤光片和一个法拉第电池，它们彼此的安装角度互为 90^° ，以阻挡所有光线。法拉第电池位于滤光片之间，可以根据施加的磁场水平改变通过它的光线的偏振面。法拉第电池就像一个快门，在极短的时间内通电，使胶片曝光。

埃杰顿还与水下探险家合作开发过专门设计的摄像设备，起初是他自己开发，后来与 EG&G 合作开发。 该公司在制造用于扫描海底沉船的侧扫声纳技术方面发挥了重要作用。埃杰顿还参与了发现 内战沉船“莫尼特”号的海底任务，该沉船于 1973 年在北卡罗来纳州哈特拉斯角海岸附近被发现。

学术遗产

埃杰顿在艺术家和工程师之间游刃有余，在他的职业生涯中取得了多种形式的成功 — 从获得奥斯卡奖，到在麻省理工学院任教，再到共同创办公司。1956 年，他当选为美国艺术与科学院院士，1973 年被授予美国国家科学奖章。1987 年，国际摄影中心授予他“终身成就奖”。他的家乡内布拉斯加州奥罗拉市的社区成员为纪念他，于 1995 年建造了一座教学博物馆。

1977 年，他在麻省理工学院的最后一堂课—— “鸟类和昆虫摄影”新生研讨会将他长达40年的教学生涯推向顶峰。为了纪念他，学校开设了埃杰顿中心，这是一个实践性很强的实验室资源，并以他的名字命名了其中的一间宿舍。直到 1990 年他去世时，他的妻子 Esther 和他共育有三个孩子。

扩展阅读

• 了解有关埃杰顿生平的更多信息，并欣赏他的更多艺术作品：
  • MIT Museum
  • International Center of Photography
  • Harold Edgerton: The Man Who Froze Time
• 阅读其他工程师和科学家的相似经历:
  • Joseph Petzval, 将相机曝光时间从 10 分钟缩短到 30 秒
  • Alice Ball, 受其杰出摄影师家族的熏陶，开始了化学生涯
  • Ernst Mach, 发现了利用摄影技术测量声波和声音传播的方法

OSCAR 是美国电影艺术与科学学院的注册商标。

终身科学家

施陶丁格于 1881 年 3 月 23 日出生于德国沃尔姆斯。除了知道他对植物学感兴趣以外，人们对他的早年生活知之甚少(参考文献 1）。他的父亲是一名哲学教授和和平平主义者，影响了他的许多观点，并鼓励他学习化学（参考文献 2）。施陶丁格在达姆斯塔特大学获得了硕士学位，随后于 1903 年在哈勒大学获得化学博士学位。1907 年，他在斯特拉斯堡大学师从Magda Woit Staudinger，获得了学术讲师的资格。

同年，施陶丁格成为卡尔斯鲁厄理工学院化学研究所的有机化学教授。从 1912 年开始，他在瑞士联邦理工学院担任了 14 年讲师，研究聚合物。1926 年，他成为弗莱堡大学的化学讲师，并在那里度过了余下的职业生涯。第二年，他与他的第二任妻子——生物学家和植物学家 Magda Woit Staudinger 结婚，她后来成为他许多著作的共同作者。

赫尔曼·施陶丁格的肖像，1954 年由诺贝尔基金会拍摄。该照片已经进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 共享。

早期发现

1907 年，施陶丁格在斯特拉斯堡大学学习期间，发现了被称为烯酮的有机化合物家族，这种高活性气体可用于合成酯和酰胺。这一发现为日后生产青霉素和阿莫西林等抗生素奠定了基础。1919 年，他和一位同事观察到有机叠氮化物与三苯基膦（PPh3）发生反应，生成高产率的亚氨基磷烷（R3PNR’），这是他职业生涯中的另一重大发现，也就是如今众所周知的施陶丁格反应（参考文献 3）。

施陶丁格反应的机理。通过 Wikimedia Commons共享，获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0s 许可公开使用。

在瑞士联邦理工学院任职期间，Staudinger 潜心研究橡胶化学。1920 年，他发表了一篇震惊国际化学界的论文 Über Polymerisation。在这篇论文中，他首次提出一个新理论，他称之为“聚合物”，即由高分子量化合物组成的如天然橡胶、淀粉和蛋白质等物质，这些化合物由许多重复的小分子通过共价键合成长链的反应形成（参考文献 4）。Staudinger 将这些化合物称为“大分子”。他的新理论与当时公认的理论形成了鲜明对比，后者认为像由洗涤剂形成的胶束状聚集体是导致高分子材料特性的原因。

使用回形针链类比的由小片段连接而成的聚合物。获 Evastar 授权，通过 Wikimedia Commons 在公有领域使用。

走在时代前列

尽管施陶丁格从氢化反应、黏度测定法和其他实验中收集到了支持他的理论的证据，但当时的主流有机化学家并没有轻易相信他的理论。科学界花了近 20 年的时间才认同他的观点。

1916 年，赫尔曼·施陶丁格正在进行实验。图片已进入公有领域，通过 Wikimedia Commons 授权。

1926 年，施陶丁格参加了一场最终让他在化学界声名鹊起的辩论。这场辩论发生在德国自然科学家和内科医生会议上，辩论双方分别是聚合物原始聚合体理论的支持者和 施陶丁格新的大分子理论的支持者。这场辩论由化学家 Fritz Haber 组织，此前施陶丁格曾质疑 Haber 在毒气战中的作用（参考文献 5）。施陶丁格一直强烈反对毒气战，并因此遭受到职业上的损失。

在辩论中，Herman Mark 提出了天然聚合物结构的 X 射线晶体学证据，表明大分子可能存在，但无法得出明确的结论。其他几位化学家的研究成果也证实了施陶丁格的理论，但辩论结束时仍未达成共识。

期待已久的认可

施陶丁格的整个职业生涯中都在捍卫他自己的理论，尽管其他科学家劝阻并鼓励他转到其他领域工作。20 世纪 30 年代，随着对聚合物的研究越来越多，人们的想法开始发生变化，他的理论也慢慢被其他化学家所接受。1953 年，他因在高分子化学领域的发现而获得诺贝尔化学奖，这距离他发表具有里程碑意义的论文已经过去了 30 多年。施陶丁格于 1965 年去世。1999 年，美国化学学会和德国化学学会将赫尔曼·施陶丁格故居指定为国际化学历史地标，以表彰他作为高分子科学奠基人所做的工作。

施陶丁格的发现是高分子化学领域诞生的基础。他的大分子理论适用于天然和合成聚合物，这些聚合物后来被广泛应用于需要轻质但耐用的结构产品的工业材料中，如食品包装、电路板、航天器和医疗植入物。

了解更多关于聚合物科学的内容

阅读以下关于聚合物科学和仿真的博客：

• 制造超强二维聚合物的新技术
• 通过仿真研究蝠鲼机器人的“肌肉”
• 模拟 Oldroyd-B 聚合物的行为
• 复合材料模块介绍

参考文献

1. “Hermann Staudinger,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Hermann_Staudinger
2. “Hermann Staudinger,” Science History Institute, 20 Mar. 2025; https://www.sciencehistory.org/education/scientific-biographies/hermann-staudinger
3. “Staudinger reaction,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 Mar. 2025; https://en.wikipedia.org/wiki/Staudinger_reaction
4. “Foundations of Polymer Science: Hermann Staudinger and Macromolecules,” American Chemical Society International Historic Chemical Landmarks, 20 Mar. 2025; https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/staudingerpolymerscience.html
5. “Fritz Haber,” Wikipedia, Wikimedia Foundation, 20 March 2024; https://en.wikipedia.org/wiki/Fritz_Haber

受蝠鲼启发的软体机器人

传统上机器人是由刚性硬质材料制成的。然而，软体机器人的开发（利用弹性体、凝胶或硅橡胶等柔性材料设计机器人）极大地扩展了机器人的应用方式，尤其是在仿生学和生物医学领域。例如，受蝠鲼启发设计的软体机器人可以被远程控制或在其底部安装传感器，这让科学家可以在不干扰水生生物的情况下收集数据，用于海洋多样性研究。相较于传统的螺旋桨动力水下航行器，软体机器人的机动性更高，不容易被水生植物缠住，并且造成的湍流也更小。

自然环境中的蝠鲼。照片由 Ishan @seefromthesky 拍摄，通过Unsplash 共享。

借助建模和仿真，软体机器人工程师能够研究蝠鲼机器人的设计，来提高其仿生能力。COMSOL 案例库中的机器人蝠鲼中的离子聚合物-金属复合材料执行器模型展示了一种通过建立模型来研究蝠鲼机器人执行器性能的方法。该模型长约 20 cm，翼展宽约 50 cm，与真实建立的蝠鲼机器人大小相当。该模拟使用 IPMC 执行器为机器人提供动力，通过 收缩和膨胀 多物理场耦合节点对流体环境（如海水下）中的运动做出反应。IPMC 是一种电活性聚合物，常用作在电刺激下能产生较大变形的驱动材料。离子电活性聚合物由离子传输产生的膨胀效应提供动力，通常只需要 1 或 2 V 的驱动电压，就能自然产生弯曲运动。这种材料具有质量轻、可操作性强的特点，并且能够在电刺激下产生拍打运动，而不是能效低下的电力传输，因此是人造肌肉的理想材料。

收缩和膨胀 多物理场耦合节点是 COMSOL Multiphysics^® 6.3 版本的新增功能。这种耦合对于模拟因物质进入和溶出材料时分别经历的膨胀和收缩尤为有用。在这类模型中，当物质离开材料时会产生收缩，类似于海绵吸水后膨胀而变干后收缩。在本文示例的模型中，这种物质是水合阳离子，它会导致蝠鲼鳍收缩和膨胀从而产生运动。

蝠鲼机器人模型

模拟离子聚合物-金属复合材料

在示例模型中，鳍的两根悬臂梁由三层 IPMC 材料制成，中间层包含容纳移动离子的聚合物。顶层和底层均由一块薄金属板组成，金属板能够导电并形成电压差，使带电粒子上下移动，产生拍打运动。

驱动力由施加在两个金属电极板上的外部电压提供，上部电极施加正弦电压，下部电极接地。鳍片被牢固地固定在梁上，并且可以被动变形。通过测量变形来检测由于运动导致的形状变化程度。在这个示例中，运动由聚合物中水合阳离子浓度变化产生的膨胀引起。IPMC 通过多物理场效应产生力，其中涉及结构变形、质量传输和电流。该模型通过耦合 固体传递 和 固体力学 接口来考虑由膨胀引起的悬臂梁变形，所使用的与位移、浓度和电势相关的本构方程根据热力学原理推导。

IPMC 悬臂梁如何因粒子位置的改变而弯曲、收缩和膨胀的直观展示。

此外，固体中的电荷守恒 功能用于实现离子聚合物悬臂梁所在的固体域电荷守恒，固体传递 接口用于跟踪由化学势梯度驱动的扩散。

蝠鲼的运动

模拟结果表明，两根 IPMC 悬臂梁的移动可以通过电压控制。这项研究的重点是展示当改变输入电压（例如电池电源）时，蝠鲼可以运动，突出展示了两根 IPMC 悬臂梁可以成功地产生均匀的拍打运动。然而，并未对该模型进行扩展来演示蝠鲼如何在水中响应或是否会游泳。

下图左显示了所施加的正弦输入电压（5 V，0.2 Hz），可以看出两根 IPMC 悬臂梁之间存在相位延迟。下图右显示了 IPMC 梁产生的挠曲，可以看出靠近后缘的梁（绿线表示）由于长度较长，变形更为明显。正阳离子在聚合物中的周期性运动导致悬臂梁膨胀而发生周期性弯曲。

左图显示了两个 IPMC 悬臂梁的施加电压（相位差）。右图显示了悬臂梁因膨胀而发生周期性弯曲。

下图显示了沿整个悬臂梁厚度的粒子浓度分布，左侧为梁底部，右侧为梁顶部。从图中可以看出，电极交界处附近的浓度梯度变化很大，这表明阳离子在厚度上的不均匀分布导致悬臂梁膨胀变形而发生周期性弯曲。当一侧粒子浓度较高时，需要更多的空间来容纳，因此材料发生膨胀以尽可能多地容纳它们。

图中显示了阳离子沿每个悬臂梁厚度的分布不均匀，产生浓度梯度，引起悬臂梁膨胀而导致梁弯曲。

下一步

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