馬鈴薯微型薯機(jī)械化生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究進(jìn)展

段宏兵，徐濤，蔡興奎，姚飛虎

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

馬鈴薯是我國第四大糧食作物，對(duì)于保障我國居民糧食供給安全、減少資源環(huán)境壓力和改善居民營養(yǎng)膳食結(jié)構(gòu)具有重要意義[1]。2019年，我國馬鈴薯的種植面積約467.3萬hm2[2]。我國著名馬鈴薯育種專家孫惠生強(qiáng)調(diào)“馬鈴薯的產(chǎn)量和質(zhì)量與種薯密切相關(guān)。種薯不行，就沒有產(chǎn)量，也沒有質(zhì)量。”[3]。隨著我國馬鈴薯脫毒技術(shù)的推廣，馬鈴薯的種薯質(zhì)量體系已經(jīng)完善，馬鈴薯微型薯(以下全文簡(jiǎn)稱為“微型薯”)產(chǎn)量也在逐年提升，但居高不下的生產(chǎn)成本嚴(yán)重阻礙了優(yōu)質(zhì)微型薯的使用[4]。其原因主要在于，現(xiàn)階段馬鈴薯微型薯的生產(chǎn)過程以人工作業(yè)為主。隨著我國勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)變化，人力成本逐年增加，隨之而來的優(yōu)質(zhì)微型薯的生產(chǎn)成本也連年上升。馬鈴薯微型薯的生產(chǎn)過程中農(nóng)藝繁雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大和效率低。因此，發(fā)展微型薯的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)及裝備是我國馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展的必由之路，是提高我國馬鈴薯綜合機(jī)械化水平、推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要舉措之一[5]。微型薯的生產(chǎn)區(qū)域要求嚴(yán)格，大都分布在邊遠(yuǎn)山區(qū)，加快微型薯生產(chǎn)機(jī)械化的推進(jìn)也是鞏固精準(zhǔn)扶貧成果的有力措施之一[6]。

本文從微型薯的生產(chǎn)農(nóng)藝要求出發(fā)，對(duì)微型薯的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，圍繞微型薯種植的農(nóng)藝過程，提出了我國微型薯機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)與未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 微型薯的種植農(nóng)藝過程

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為提升馬鈴薯商品薯的品質(zhì)和產(chǎn)量，馬鈴薯的生產(chǎn)過程發(fā)生了重大的變化，即在原來的整地-播種-田間管理-殺秧-收獲-運(yùn)輸儲(chǔ)存的生產(chǎn)過程中增加了微型薯的生產(chǎn)。當(dāng)前微型薯的生產(chǎn)農(nóng)藝過程如圖1所示，主要包括以下幾個(gè)方面。(1)莖尖脫毒。選取塊莖、植株芽條或者帶病毒試管苗結(jié)合熱處理等常規(guī)消毒處理，在解剖鏡下無菌剝離分生組織。將分生組織進(jìn)行培養(yǎng)、成苗、擴(kuò)繁、病毒及類病毒檢測(cè)，經(jīng)遺傳穩(wěn)定性鑒定后工廠化快速繁殖使用[7]。(2)試管培養(yǎng)。是指將剝離下來的組織、細(xì)胞置于人工可控的無菌條件下，在營養(yǎng)充分、培養(yǎng)條件適宜作物生長的人工合成培養(yǎng)基上，使組織、細(xì)胞發(fā)育成完整馬鈴薯植株的過程。(3)組培繼代。是指將試管培養(yǎng)的馬鈴薯植株切割分段，放置在含有營養(yǎng)基的培養(yǎng)盒中，再生出馬鈴薯植株的過程。通過組培繼代，理論上可以將脫毒薯苗無限繁殖，實(shí)現(xiàn)脫毒薯苗的快速繁殖[8]。(4)介質(zhì)栽培。是指將組培繼代后的馬鈴薯組培苗植株移植到培養(yǎng)介質(zhì)中，生成微型薯的過程[9]。(5)種薯大田擴(kuò)繁。是指將微型薯按照馬鈴薯種薯的種植農(nóng)藝要求，在大田中進(jìn)行兩代繁育，最終完成優(yōu)質(zhì)商品種薯的生產(chǎn)[10]。

圖1 馬鈴薯微型薯生產(chǎn)的農(nóng)藝過程示意圖

2 微型薯的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)

通過聯(lián)機(jī)檢索，在國外尚未有成熟的微型薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的文獻(xiàn)報(bào)道。究其原因是：在國外，任何一個(gè)國家對(duì)微型薯的需求量與我國相比，均不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。另外國外微型薯的生產(chǎn)與管理體系健全，其品質(zhì)在五代、六代后都能保證，微型薯的需求量相對(duì)較少，整個(gè)過程的人工成本能夠被接受，對(duì)機(jī)械化的需求也不迫切。而在我國，為提高商品馬鈴薯的產(chǎn)量和品質(zhì)，近年來開始廣泛采用優(yōu)質(zhì)商品種薯，也導(dǎo)致了微型薯的需求量大增，原來的人工小范圍的種植已不能滿足當(dāng)前的需求。同時(shí)隨著我國勞動(dòng)力成本的增加，微型薯的價(jià)格也越來越高，因此對(duì)微型薯的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的迫切性也越來越高。微型薯的生產(chǎn)是從莖尖脫毒開始，通過試管培養(yǎng)、組培繼代的方式形成大量的組培苗，再對(duì)組培苗采用不同的栽培介質(zhì)，從而形成微型薯。微型薯生產(chǎn)包括莖尖脫毒、試管培養(yǎng)、組培繼代、介質(zhì)栽培等4個(gè)過程。由于在莖尖脫毒、試管培養(yǎng)這2個(gè)過程中，所耗費(fèi)的時(shí)間短，對(duì)病毒識(shí)別要求高。相對(duì)于組培繼代的人工需求量極少，因而對(duì)機(jī)械化的要求較低。

2.1 組培繼代所需的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)

組培繼代的主要操作步驟：將培養(yǎng)瓶從培養(yǎng)室搬運(yùn)至操作間，并放置于工作臺(tái)上；利用乙醇、火焰等對(duì)培養(yǎng)瓶表面、剪刀、鑷子等工具進(jìn)行消毒；打開培養(yǎng)瓶；剪刀深入瓶中，進(jìn)行組培苗分割作業(yè)；將裝有繼代培養(yǎng)基的新培養(yǎng)瓶放在工作臺(tái)上；用鑷子進(jìn)行移植作業(yè)；新培養(yǎng)瓶移植完成后加蓋[11]。如圖2所示，組培繼代時(shí)分割的馬鈴薯組培苗生長段都要有1～2個(gè)腋芽，因此在組培繼代時(shí)機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的。機(jī)器視覺系統(tǒng)的用途是識(shí)別腋芽在整個(gè)植株的位置，以及確定每一個(gè)斷口的位置。其次，組培苗的抓取方法與裝置、組培苗的切割方式與裝置以及組培苗切斷后的定位也十分重要。

圖2 馬鈴薯組培苗示意圖

2.2 介質(zhì)培養(yǎng)所需的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)

介質(zhì)栽培過程是將組培苗移植到培養(yǎng)介質(zhì)中，置于防蟲網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行日常管理直至收獲微型薯的過程。按照培養(yǎng)介質(zhì)的不同分為蛭石栽培、氣霧栽培等多種形式。

蛭石栽培步驟：將馬鈴薯組培苗煉苗；從培養(yǎng)瓶中取出組培苗；組培苗根系清洗(或者剪除根系)；扦插入蛭石；然后按照農(nóng)藝要求進(jìn)行管理，直至收獲；收獲時(shí)先將地表的馬鈴薯秧去除；蛭石與微型薯倒入多層篩網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)蛭石與微型薯的分離與分級(jí)[12]。

氣霧栽培步驟：將馬鈴薯組培苗煉苗；從培養(yǎng)瓶中取出組培苗；組培苗根系剪除；插入水培板栽培孔；進(jìn)行生根管理；移入霧培室；霧培管理，直至收獲。因氣霧栽培的微型薯成熟度不一致，收獲時(shí)要多次進(jìn)行[13-15]。

介質(zhì)栽培是將馬鈴薯組培苗整株或者切斷后移栽到栽培介質(zhì)上。因此組培苗的抓取、根系切斷、移栽等裝置是必不可少的。其次介質(zhì)栽培是在溫室中進(jìn)行的，因而溫室系統(tǒng)、溫室生長條件控制系統(tǒng)也是不可或缺的。再次在微型薯的收獲上，也需要進(jìn)行探索。

當(dāng)前溫室系統(tǒng)和溫室生長條件控制系統(tǒng)所用的技術(shù)與設(shè)備相對(duì)成熟，已廣泛應(yīng)用在蔬菜、花卉等高附加值的作物上[16-17]。當(dāng)前智能化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也已經(jīng)在日光溫室的微型薯生產(chǎn)中得到應(yīng)用[18]。

對(duì)于微型薯的收獲，氣霧栽培和蛭石栽培的方式不同。氣霧栽培由于微型薯成熟期不一致，不能統(tǒng)一收獲，機(jī)械化收獲的難度大。而蛭石栽培的微型薯收獲時(shí)間相對(duì)集中，機(jī)械化收獲的難度較小，一般采用振動(dòng)篩實(shí)現(xiàn)微型薯與蛭石的分離。

2.3 微型薯播種所需的機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)

微型薯機(jī)械生產(chǎn)技術(shù)與馬鈴薯種薯的生產(chǎn)技術(shù)基本相同，都是采用播種機(jī)將種薯播種到大田，經(jīng)過相同的田間管理技術(shù)收獲馬鈴薯優(yōu)質(zhì)商品種薯的過程。但微型薯存在著單粒種薯質(zhì)量大、個(gè)體差異大等特點(diǎn)[19]，需要帶芽播種(圖3)，因此，在播種技術(shù)上與馬鈴薯種薯有一定差異。對(duì)于微型薯的播種技術(shù)當(dāng)前主要有氣吸式排種和鏈勺式排種2種方式[20]。

圖3 待播種狀態(tài)的馬鈴薯微型薯

綜上所述，微型薯生產(chǎn)過程中的農(nóng)藝過程復(fù)雜，所需要的技術(shù)多樣。筆者認(rèn)為當(dāng)前亟需解決的技術(shù)有以下幾個(gè)。

1)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化的目的是為了提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，從而達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。但是農(nóng)業(yè)機(jī)械化由于機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料使用等局限性，對(duì)農(nóng)藝也提出了相應(yīng)的要求，因而在解決微型薯機(jī)械化生產(chǎn)中亟需解決的就是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)。如組培迭代與蛭石培養(yǎng)中培養(yǎng)瓶的規(guī)格型式的統(tǒng)一有利于機(jī)械化操作。

2)組培苗識(shí)別技術(shù)。在組培迭代與介質(zhì)培養(yǎng)過程中，組培苗都要被抓取和切割，其抓取和切割位置對(duì)后續(xù)的培養(yǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。尤其是在切割后要保證切割后的組培苗上必須有1個(gè)腋芽，因而對(duì)單株組培苗以及腋芽位置的識(shí)別技術(shù)是當(dāng)前必須解決的技術(shù)問題之一。

3)組培苗抓取技術(shù)。在組培迭代和介質(zhì)培養(yǎng)過程中，組培苗都要移動(dòng)位置，因而需要對(duì)組培苗抓取技術(shù)和裝置進(jìn)行研究。由于組培苗群體密集、植株柔細(xì)、易受傷等客觀原因，常規(guī)的機(jī)械抓取裝置存在結(jié)構(gòu)相對(duì)較大、夾持力不易控制等問題，組培苗的無損抓取方式也是亟待解決的問題之一。

4)組培苗無接觸切割技術(shù)。當(dāng)前組培苗切割都是采用人工機(jī)械切割的方式進(jìn)行，切割過程中為防止組培苗間的交叉感染，每次切割后必須對(duì)切割刀進(jìn)行消毒。同時(shí)由于組培苗群體密集、消毒過程運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、切割刀消毒時(shí)間過長等因素限制，切割時(shí)要求切割刀、切割裝置的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)等的結(jié)構(gòu)尺寸較小，能實(shí)現(xiàn)快速消毒。這些要求采用傳統(tǒng)的機(jī)械切割方式是相對(duì)較難實(shí)現(xiàn)的，所以組培苗無接觸切割技術(shù)是亟需解決的問題之一。

3 微型薯的機(jī)械化裝備研究現(xiàn)狀

在微型薯的生產(chǎn)過程中，組培繼代與介質(zhì)栽培最為繁瑣與重復(fù)，同時(shí)人工成本和勞動(dòng)強(qiáng)度巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)達(dá)國家的勞動(dòng)力成本占組培生產(chǎn)總成本的60%～70%，使組培產(chǎn)業(yè)在成本與效益的維持上出現(xiàn)困難，已有部分公司將組培生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到人力成本較低的國家[10]。因而，在20世紀(jì)90年代國外相繼都開展了以機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)的組培繼代自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備或機(jī)器人，從而代替人工作業(yè)，達(dá)到提高生產(chǎn)效率和組培質(zhì)量、降低成本的目的。但對(duì)介質(zhì)培養(yǎng)與微型薯生產(chǎn)過程的機(jī)械化關(guān)注較少。

3.1 組培繼代機(jī)械化研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末期，日本開展了以機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)的組培機(jī)器人的研究。1992年，在日本召開的國際移植產(chǎn)品系統(tǒng)大會(huì)上展示了以“工業(yè)機(jī)器人手臂+特殊末端執(zhí)行器”模式的多種繼代培養(yǎng)機(jī)器人樣機(jī)[10]。

研究人員開發(fā)了以百合為主要工作對(duì)象的鱗球型的繼代培養(yǎng)自動(dòng)化作業(yè)系統(tǒng)[21]，整個(gè)系統(tǒng)包括進(jìn)料用機(jī)械手臂、去根裝置、剝瓣裝置、圖像處理裝置、移植用機(jī)械手臂及培養(yǎng)瓶輸出裝置等[18]。該型移植設(shè)備具有4支手指用于同時(shí)挾取4片鱗片，每個(gè)收取容器經(jīng)2次移植放入8片鱗片，每次移植動(dòng)作需18 s，每天工作量為 4 800片。日本Kirin Brewery公司開發(fā)了TOMOCA系統(tǒng)，主要應(yīng)用于叢生狀組培苗。該系統(tǒng)包括培養(yǎng)瓶輸送帶、直角坐標(biāo)機(jī)械手臂、切割裝置、過濾裝置、圖像處理裝置和控制單元等。該系統(tǒng)每次可將培養(yǎng)瓶里面的組培苗分割成26塊,并以每9塊為1個(gè)單元移植到新的培養(yǎng)瓶中，其工作效率比人工高10倍[22]。日本東芝公司開發(fā)了適用于馬鈴薯、康乃馨等直立作物直立芽組培移植系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由完成切割、拾取、移植等工作的移植手臂、完成組培苗位置感應(yīng)的測(cè)量手臂以及圖像處理系統(tǒng)組成[23]。該系統(tǒng)采用圖像處理技術(shù)對(duì)組培苗的切割點(diǎn)進(jìn)行定位，精度高；但采用剪刀型切割裝置切割馬鈴薯組培苗，需要增加消毒過程。

英國研究人員設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的機(jī)械臂移植系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用一具3軸相互垂直的機(jī)械臂對(duì)苗株進(jìn)行切割和移植。其節(jié)點(diǎn)位置定位的成功率為62%，植株移植成功率為84%[24]。圖4為一套條狀苗的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由培養(yǎng)瓶移送機(jī)器人、瓶蓋開關(guān)機(jī)構(gòu)、培養(yǎng)瓶消毒機(jī)構(gòu)、組培苗移植機(jī)器人、末端抓取機(jī)構(gòu)、分株機(jī)構(gòu)及鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)等7部分組成。該系統(tǒng)可以完成培養(yǎng)瓶移送、開關(guān)瓶蓋、培養(yǎng)瓶消毒、抓取苗株、提升苗株、截取苗株、將截株放入新的培養(yǎng)瓶并壓入培養(yǎng)基等動(dòng)作[25]。該系統(tǒng)移植1瓶組培苗約620 s，若以1 d工作8 h計(jì)算,此系統(tǒng)每天可完成127瓶,比人工作業(yè)(110瓶)略快。

圖4 條狀苗的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)

從2005年開始，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中團(tuán)隊(duì)就開展了馬鈴薯組培繼代技術(shù)與裝備的研究[26]。楊麗[27]開發(fā)了一套針對(duì)條狀苗的組培苗分割移植機(jī)器人系統(tǒng)(圖5)。該系統(tǒng)采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)瓶中每株苗進(jìn)行識(shí)別定位，利用5自由度關(guān)節(jié)式切割移植機(jī)器人將苗從瓶中分別取出,再進(jìn)行切割、移植。該機(jī)器取苗成功率為70.5%，剪苗成功率為71.8%。2015年，屈哲等[28]設(shè)計(jì)了一種基于整瓶移植的馬鈴薯組培苗剪切機(jī)構(gòu)(圖6)所示。系統(tǒng)利用取苗機(jī)構(gòu)將組培苗在培養(yǎng)瓶中聚攏、剪切，然后移植到新的培養(yǎng)瓶中，來代替人工操作，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯組培苗攏苗、切苗過程的低污染、高效率和高質(zhì)量的機(jī)械化作業(yè)。Xu等[29]也將機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用在馬鈴薯組培苗的單株腋芽的識(shí)別上，并通過算法的優(yōu)化，確定組培苗的腋芽位置，并傳輸?shù)阶トC(jī)械手上。

圖5 組培苗分割移植機(jī)器人系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架

A:剪切機(jī)構(gòu) Shearing mechanism; B:聚攏效果 Gathered effect; C:剪切效果 Shearing effect.圖6 整瓶移植的馬鈴薯組培苗剪切機(jī)構(gòu)

3.2 介質(zhì)培養(yǎng)機(jī)械化研究現(xiàn)狀

微型薯的介質(zhì)栽培通常分為3個(gè)階段，即組培苗的移栽、組培苗的日常管理、微型薯的收獲和分級(jí)。介質(zhì)栽培生產(chǎn)全程均在日光溫室內(nèi)進(jìn)行。

隨著自動(dòng)控制技術(shù)提高，日光溫室綜合控制技術(shù)得到了快速發(fā)展。如趙桂生等[15]開發(fā)的日光溫室綜合自動(dòng)控制技術(shù)在北京地區(qū)某溫室進(jìn)行了使用。其室內(nèi)空氣溫度在15～35 ℃,相對(duì)濕度為45%～95%，CO2濃度為350～2 200 μL/L，基本上達(dá)到了溫、光、水、氣等環(huán)境的綜合調(diào)控，種植作物的產(chǎn)量增加10%，品質(zhì)也有改善。羅有中等[17]也對(duì)裝有環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)微型薯的日光溫室進(jìn)行了研究，證實(shí)該系統(tǒng)在控制溫室溫度、增加微型薯產(chǎn)粒數(shù)、提高微型薯合格率等方面效果明顯。

在目前階段，組培苗自動(dòng)化、智能化移栽的研究相對(duì)較少。而在微型薯的收獲與分級(jí)上，由于功能需求旺盛，同時(shí)工作原理單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，已有成熟機(jī)型在生產(chǎn)上投入使用。如圖7A所示的定西馬鈴薯研究所設(shè)計(jì)的振動(dòng)式微型薯收獲機(jī)，采用振動(dòng)電機(jī)作為薯土分離的動(dòng)力源。由人工將蛭石與微型薯的混合物倒入收獲機(jī)入口，在振動(dòng)電機(jī)的作用下，振動(dòng)篩做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從蛭石在振動(dòng)中透過篩面落下，微型薯留在篩面上，最后移動(dòng)到收集箱。圖7B為自走式微型薯收獲機(jī)，以小功率柴油機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪沿隔離墩行走。行走時(shí)挖掘鏟挖起微型薯與蛭石的混合物送到升運(yùn)鏈，混合物隨升運(yùn)鏈移動(dòng)，完成微型薯與蛭石的分離，最終微型薯落入收集箱。

A:振動(dòng)式馬鈴薯微型薯收獲機(jī) Vibrating miniature potato harvester； B:自走式馬鈴薯微型薯收獲機(jī) Self-propelled miniature potato harvester.

微型薯分級(jí)大多采用幾何尺寸進(jìn)行分級(jí)，如圖8所示。該微型薯分級(jí)機(jī)采用雙對(duì)輥的形式帶動(dòng)微型薯移動(dòng)；雙對(duì)輥直徑在一定長度范圍內(nèi)縮小，從而達(dá)到按照微型薯尺寸分級(jí)的目的。該機(jī)可將微型薯分為7級(jí)[30]。

圖8 馬鈴薯微型薯分級(jí)機(jī)

3.3 微型薯播種機(jī)械化研究現(xiàn)狀

法國ERME氣力式微型薯播種機(jī)采用氣吸式排種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微型薯的精密高速播種，能通過調(diào)換吸種盤排種不同大小的微型原種；在排種盤前設(shè)計(jì)了盛放圓盤，對(duì)微型原種進(jìn)行排種、投種，確保微型原種種植的株距。該播種機(jī)播種之前需要對(duì)微型薯進(jìn)行大小分級(jí)，播種時(shí)也要根據(jù)微型薯的大小更換吸種盤[31]。荷蘭APH帶式微型薯播種機(jī)采用輸送帶式排種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小微型薯的播種。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不需要對(duì)微型薯進(jìn)行分級(jí)，播種過程中對(duì)微型薯的損傷率較小。缺點(diǎn)是拖拉機(jī)行進(jìn)速度的變化會(huì)影響播種的株距。荷蘭Miedema公司生產(chǎn)的微型薯播種機(jī)使用的也是帶式排種方式排種器[32]。在投種處增加了泡沫棍，株距的準(zhǔn)確率有所提高[33]。Mcleod等[34]開發(fā)了一種氣力式馬鈴薯排種器，以負(fù)壓實(shí)現(xiàn)微型薯的吸種和攜種，正壓排種，從而實(shí)現(xiàn)了單粒微型薯的高速高精密排種。

國內(nèi)微型薯播種機(jī)的研究從2012年開始，謝敬波[35]針對(duì)微型薯設(shè)計(jì)制造了鏈勺式、內(nèi)充種式以及氣吸式3種排種器，通過試驗(yàn)，最終認(rèn)為氣吸式排種器對(duì)微型薯的排種效果最好。隨后毛瓊等[36]以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了單壟雙行寬窄行播種的氣吸式微型薯播種機(jī)。該機(jī)采用氣力傾斜圓盤式排種器來實(shí)現(xiàn)微型薯的吸種、攜種、排種過程，降低了微型薯排種過程中的破損率，但仍會(huì)在微型薯帶芽播種過程發(fā)生種薯表皮破損和種芽的損傷現(xiàn)象。2017年，馬文鵬[37]設(shè)計(jì)了氣力圓盤式微型薯排種器，在排種器上設(shè)置了防止微型薯架空的振動(dòng)裝置，并開展了微型薯在氣力作用下的仿真分析。并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種氣吸圓盤式微型薯精密播種機(jī)，該機(jī)可一次完成開溝、播種、覆土等作業(yè)。并通過試驗(yàn)得到該機(jī)的漏播指數(shù)小于5%，能滿足微型薯播種的農(nóng)藝要求。張寶庫[38]設(shè)計(jì)了2CM-2型馬鈴薯種薯播種機(jī)。該機(jī)與施拉機(jī)配套使用，一次作業(yè)可以完成播種、施肥、施藥作業(yè)。但該機(jī)需要人工輔助進(jìn)行微型薯取種放種。

4 微型薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備發(fā)展建議

4.1 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)的研究

農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與農(nóng)業(yè)種植模式是密切相關(guān)的。馬鈴薯脫毒技術(shù)一直是農(nóng)藝研究人員主導(dǎo)的新興農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)，相關(guān)的機(jī)械化技術(shù)的介入是近幾年才開始的。尤其是在組培繼代和介質(zhì)培養(yǎng)過程中所使用的技術(shù)與裝備與機(jī)械化的結(jié)構(gòu)極為不適應(yīng)。如現(xiàn)在市場(chǎng)上流行的組培苗培養(yǎng)盒、培養(yǎng)瓶(圖9)的內(nèi)部空間狹小，限制了抓取、切割等機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸。其次組培苗的生物特性和無序生長也是影響實(shí)現(xiàn)微型薯機(jī)械化生產(chǎn)的主要因素。

圖9 常用的馬鈴薯組培苗培養(yǎng)盒(瓶)

在采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行單株組培苗以及苗上的腋芽識(shí)別方向，由于組培苗生長凌亂，以及培養(yǎng)瓶的材質(zhì)可能造成的光線角度改變，大大增加了組培苗識(shí)別算法設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)，識(shí)別所需的設(shè)備只能采用雙目或者更多的攝像頭進(jìn)行，同時(shí)攝像頭的精度也要求較高，這也增加了整套設(shè)備的成本和調(diào)試難度[39]。在抓取組培苗時(shí)，由于組培苗在瓶中，抓取裝置的結(jié)構(gòu)與活動(dòng)范圍受限，不能一次將成簇的組培苗全部抓取出來，同時(shí)培養(yǎng)基有一定黏度，也可能造成組培苗扯斷。另外，因培養(yǎng)瓶的結(jié)構(gòu)限制，組培苗切斷裝置必須在培養(yǎng)瓶外部，高速旋轉(zhuǎn)的刀片勢(shì)必會(huì)將培養(yǎng)基與組培苗根系甩出，可能導(dǎo)致組培苗的交叉感染，也會(huì)帶來環(huán)境的污染。采用高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械式切割方式為防止組培苗的交叉感染，要對(duì)切割刀片定期消毒，這也將會(huì)導(dǎo)致整機(jī)工作效率的降低。

為降低組培繼代與介質(zhì)培養(yǎng)中組培苗的識(shí)別、抓取、切斷時(shí)的難度，蔡興奎等[40]提出了一種新型組培盒(圖10)，并開展了培養(yǎng)效果的試驗(yàn)。研究結(jié)果證實(shí)優(yōu)化前后的組培盒在組培苗的生長周期和品質(zhì)上無明顯差異，但優(yōu)化后的組培盒的空間結(jié)構(gòu)增加，降低了抓取、切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，也可以將組培苗的機(jī)械切割方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧す馇懈罘绞剑瑢?shí)現(xiàn)無接觸切割，降低病毒交叉感染的可能。新型組培盒采用長蓋短座的形式，當(dāng)進(jìn)行組培苗移植時(shí)，去除長蓋，組培苗完全露出，組培苗的抓取、切割均可以從任何方向上進(jìn)行，因而抓取方式和切割方式相對(duì)于以前的培養(yǎng)瓶來說，選擇性較多。例如可以用無損傷的氣力抓取。同時(shí)新型組培盒設(shè)計(jì)了分苗板，也會(huì)使組培苗的下部位置有一定的規(guī)律，可以實(shí)現(xiàn)多根組培苗的同時(shí)抓取和切割，有利于提高工作效率。

1.筒體 Barrel; 2.分苗板 Points seedling plate; 3.培養(yǎng)基盒體 Medium box.

以上僅僅是改變培養(yǎng)盒的形式，就為機(jī)械化裝備的設(shè)計(jì)與功能的實(shí)現(xiàn)帶來了諸多的便利，那么在微型薯生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的完全融合才能使微型薯生產(chǎn)的機(jī)械化成為可能，也才能降低微型薯的生產(chǎn)成本，加快馬鈴薯脫毒技術(shù)的快速推廣。

微型薯生產(chǎn)過程中的農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合技術(shù)除了以上組培盒型式的改變外，還應(yīng)該探討組培苗生長的一致性(組培苗的高度、直徑粗細(xì))、微型薯生長過程的宜機(jī)械化研究。

4.2 加速基礎(chǔ)共性技術(shù)機(jī)制的研究

無論是組培苗的組培繼代還是介質(zhì)培養(yǎng)，均有一些共性的技術(shù)。對(duì)共性技術(shù)的研究有利于綜合考慮組培繼代和介質(zhì)培養(yǎng)的農(nóng)藝要求和農(nóng)機(jī)裝備的協(xié)調(diào)發(fā)展，促使組培繼代和介質(zhì)培養(yǎng)的設(shè)備一體化，減少種薯企業(yè)的投資，加快微型薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的推廣。共性技術(shù)主要包括機(jī)器視覺系統(tǒng)、組培苗的抓取技術(shù)與裝備以及組培苗的切割技術(shù)與裝備等。

機(jī)器視覺技術(shù)的功能包括對(duì)成簇的組培苗實(shí)現(xiàn)識(shí)別出單株組培苗的算法、識(shí)別單株組培苗的腋芽的算法、快速計(jì)算組培苗切割位置的算法等。主要要求是快速、精準(zhǔn)地為抓取裝置和切割裝置提供抓取和切割位置的準(zhǔn)確信息，從而實(shí)現(xiàn)快速抓取和精準(zhǔn)切割，提高整套設(shè)備的工作效率和精準(zhǔn)度。

組培苗的抓取技術(shù)與裝備的目標(biāo)要求是實(shí)現(xiàn)組培苗的高效、精準(zhǔn)抓取。組培苗的抓取方式有機(jī)械抓取和氣動(dòng)抓取2種。由于在抓取過程中不得傷害組培苗，氣動(dòng)抓取方式的優(yōu)勢(shì)較大。隨著柔性抓取技術(shù)的發(fā)展，可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)抓取力的精確控制，同時(shí)柔性夾爪的外形尺寸、結(jié)構(gòu)都可以做得較小，便于實(shí)現(xiàn)組培苗的抓取和放下。

組培苗的切割技術(shù)與裝備的技術(shù)要求是實(shí)現(xiàn)無損傷或者低損傷，促使組培苗快速生根生長。組培苗的切割方式有機(jī)械切割、激光切割、水力切割等。其中機(jī)械切割方式存在著切割刀，為避免組培苗的交叉感染，必須增加消毒步驟，而使用后消毒液的無害化處理也增加了成本。在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合后，機(jī)械式切割方式的缺點(diǎn)也越來越顯著。水力切割也是一種無接觸式的切割方式，但由于水力切割使用高壓水作為切割介質(zhì)，切割力大且不易控制，同時(shí)切割液的沖擊也會(huì)使組培苗的培養(yǎng)介質(zhì)在工作臺(tái)上四濺，因而水力切割方式在組培苗的移栽中也不適合。激光切割技術(shù)作為新興的無接觸切割技術(shù)，具有切割速度快、無污染等特點(diǎn)，隨著農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的深度融合，將會(huì)在組培苗的移栽和擴(kuò)繁上應(yīng)用更為廣泛，開展激光切割技術(shù)及裝置在組培苗的組培繼代中作用機(jī)制和生物特性的研究，將促進(jìn)組培苗機(jī)械化生產(chǎn)中的智能化和自動(dòng)化技術(shù)的提高。

4.3 爭(zhēng)取政策與資金的支持，加快我國種薯產(chǎn)業(yè)及機(jī)械化的發(fā)展

微型薯機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備是多學(xué)科融合的產(chǎn)物，所包含產(chǎn)業(yè)鏈長、研制開發(fā)的難度大，試錯(cuò)的成本高，因而單純的依靠種薯生產(chǎn)企業(yè)是無法開展全產(chǎn)業(yè)鏈的研究的。因此，建議各級(jí)政府將微型薯生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)與裝備的研究列入公益性項(xiàng)目給予支持，同時(shí)對(duì)已有的技術(shù)裝備加快購機(jī)補(bǔ)貼的審核，及時(shí)將成熟的機(jī)械裝備列入國家與地方的農(nóng)機(jī)購機(jī)補(bǔ)貼目錄，減輕種薯公司的資金壓力，降低優(yōu)質(zhì)商品種薯的價(jià)格，加快優(yōu)質(zhì)商品種薯的推廣，盡快達(dá)到農(nóng)業(yè)農(nóng)村部所提出的優(yōu)質(zhì)商品種薯的使用率達(dá)到45%的目標(biāo)。