非接觸式超聲波授粉裝置開發(fā)

李明

超過95%的日本農(nóng)戶僅在每年的5～12月生產(chǎn)草莓。盡管目前可實現(xiàn)草莓的周年生產(chǎn)，但由于塑料溫室的溫度管理比較困難，草莓產(chǎn)量較低。另外，周年生產(chǎn)草莓中夏季和冬季的溫度控制，無毒種苗和農(nóng)藥的購買等也會給農(nóng)戶帶來一定的負擔(dān)。人工光植物工廠可避免室外環(huán)境變化的影響，使室內(nèi)環(huán)境終年保持在最佳水平，進而可實現(xiàn)草莓的周年生產(chǎn)。若使用種子繁育草莓，則可進一步實現(xiàn)農(nóng)藥零使用，提高草莓的安全生產(chǎn)水平。隨著近年來草莓市場的發(fā)展，草莓成為一種較普通葉菜更有附加值的農(nóng)作物，使用人工光植物工廠生產(chǎn)草莓也獲得了越來越多的關(guān)注。但熒光燈、LED等人工光植物工廠內(nèi)的人工光源僅包含植物生長所必須的光，缺少與蜜蜂授粉活動相關(guān)的紫外線。紫外線是蜜蜂的導(dǎo)航光波，缺乏紫外線會造成蜜蜂采蜜的活躍性降低，使得蜜蜂授粉效率低下。由于目前還沒有草莓專用的人工授粉激素，多使用毛刷等物理方法進行人工授粉，授粉效率不高。為解決該問題，該研究開發(fā)了一種超聲波授粉裝置，來實現(xiàn)植物工廠內(nèi)草莓的高效人工授粉。

當(dāng)有物體阻擋超聲波時，與超聲波傳播方向相對應(yīng)的物體表面就會產(chǎn)生壓力。超聲波可由超聲波換能器產(chǎn)生。但是單個超聲波換能器所產(chǎn)生的聲波輻射壓強較小。因此，需要將幾百個超聲波換能器組合在一起，構(gòu)成相控陣，通過合理控制每個換能器的相位，將所有換能器產(chǎn)生的超聲波聚焦于空間上的某一點，即可產(chǎn)生數(shù)十毫牛的力。通過管理每個換能器的相位，則可以轉(zhuǎn)換超聲波相控陣的作用位置。該研究所開放裝置的相控陣的長度為17 cm，包含285個換能器，可產(chǎn)生40 kHz的超聲波頻率，在空間所產(chǎn)生的最大壓力為16 mN。壓力的大小可通過脈沖調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)。

根據(jù)測試研究，發(fā)現(xiàn)草莓花朵的典型震動頻率為30 Hz。該研究將超聲波相控陣的聲波頻率調(diào)整為30 Hz，并進行了試驗。整個試驗在人工光植物工廠內(nèi)進行，所使用的光源為熒光燈。使用草莓種子育苗，育苗時間為50天。定植后35天開始授粉。試驗組使用非接觸式超聲波授粉裝置授粉，對照組使用震動授粉器授粉。在定植后55天開始收獲果實，共持續(xù)20天。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對照組和試驗組的花芽數(shù)和花蕾數(shù)無顯著差異。與對照組相比，試驗組的坐果率為59%，除去重量不足或尺寸較小的果實后，該處理的收獲率可達到89%；而對照組的坐果率為73%，但是收獲率僅為35%。此外，試驗組草莓果實總重量是對照組的2倍，但是兩種處理的單顆草莓果實重量沒有顯著差異。

綜合以上分析結(jié)果，新開發(fā)的非接觸式超聲波授粉裝置相較傳統(tǒng)授粉方法對草莓生產(chǎn)更有利。在植物工廠內(nèi)有較為廣闊的應(yīng)用前景。

（摘譯自：Hiroshi SHIMIZU， Takayuki HOSHI， Nakamura Kenji， et al. Development of a non-contact ultrasonic pollination device [J]. Environmental Control in Biology， 2015， 53（2）： 85-88.）