生豬消化代謝籠研究現狀及專利分析

李　卓，鄔　備*，蔣　濤，季　邦，吳明亮，范志勇

生豬消化代謝籠研究現狀及專利分析

李卓1，鄔備1*，蔣濤1，季邦1，吳明亮1，范志勇2

(1.湖南農業大學機電工程學院，湖南 長沙 410128；2. 湖南農業大學動物科學技術學院，湖南 長沙 410128)

科研人員常采用消化代謝試驗研究生豬對營養物質的代謝規律，生豬消化代謝籠是進行消化代謝試驗的關鍵試驗設備。通過統計、分析和歸納我國已有生豬消化代謝籠相關專利文獻，總結了生豬消化代謝籠籠體、飲水裝置、飼喂裝置、代謝產物收集裝置和福利玩具等裝置的結構特點和研究現狀，并對相關專利的申請數量、專利類型、分布省份、專利權人和申請人類型構成等信息進行了分析，總結了生豬消化代謝籠創新發展的瓶頸和趨勢，以期為生豬消化代謝籠的進一步優化設計和升級提供參考。

生豬養殖；消化代謝籠；飼喂飲水裝置；代謝產物收集裝置；專利分析

1　前言

消化代謝試驗是檢驗生豬飼料營養價值的重要手段。科研人員常采用體內法研究生豬對營養物質的代謝規律。全收糞是體內法常用的試驗方式。在消化代謝試驗過程中，需使用特制的消化代謝籠飼養試驗豬。由于消化代謝試驗具有一些特殊要求，因此對生豬消化代謝籠的設計提出了相應的要求，如：應能在一定程度上限制試驗豬只活動，以便順利開展消化代謝試驗；應能方便地分離收集試驗豬只的糞便、尿液等消化代謝產物并記錄試驗豬只的采食量；應在一定程度上保證豬只的舒適性和福利性。基于上述要求，相關科研人員針對生豬消化代謝籠的結構進行了創新設計。以專利文獻為基礎，從籠體結構、飲水裝置、飼喂裝置、代謝產物收集裝置和福利玩具等幾個方面梳理總結了我國生豬消化代謝籠的研究現狀，并通過對相關專利的時間、類型、地域和申請人等信息進行統計，分析了生豬消化代謝籠的研究發展趨勢，以期為生豬消化代謝籠的進一步優化設計和升級提供參考。

2　生豬消化代謝籠研究現狀

2.1　籠體結構

籠體是生豬消化代謝籠的主體部分，主要有固定式和可調節式兩種形式。雖然早期使用較多的固定式籠體結構簡單、成本低，但因籠體大小無法調節而不利于對過大或過小的豬只進行消化代謝試驗。當試驗豬只個體過小時，無法限制試驗豬只活動，試驗豬只可在籠內自由活動、掉頭，不利于糞便等樣本的收集；當試驗豬只個體過大時，生豬消化代謝籠又無法容納試驗豬只。

王建平等[1]設計的固定式籠體結構如圖1(a)所示，由上部的橫桿、四周的柵欄和下部帶有漏縫孔的籠底組成。該籠體結構簡單，通過在上部設置橫桿，可防止試驗豬只從消化代謝籠中跳出。鄧耀輝等[2]設計的固定式籠體結構如圖1(b)所示，由前后兩個透明側門、左對接門、右器皿安裝門、上頂門和底部漏縫地板組成。采用透視板能有效減輕試驗豬只的壓抑孤獨感。

圖1　固定式籠體結構

目前，可調式籠體的應用更常見。試驗人員可根據需要調節籠體空間大小，既能在一定程度上限制試驗豬只活動，又能使生豬消化代謝籠的空間適應試驗豬只個體生長的需要。

董冰等[3]設計的可調式籠體結構如圖2(a)所示，前端設有能上下滑動的活動前柵門，后端設有能前后滑動的活動擋柵，兩側設有能左右移動的活動擋柵，上方還設有可上下移動的活動壓板。胥剛等[4]設計的可調式籠體結構如圖2(b)所示，通過在橫桿上設計圍桿安裝塊和連接頭來實現橫桿和豎桿的快速連接，通過調節桿間距來調整框體的大小。李健等[5]設計的可調式籠體結構如圖2(c)所示，前柵欄被剛性連接在籠架上，后柵欄可沿長度方向調節移動；右側板被剛性連接在籠架上，左側板可沿籠架寬度方向調節移動。鄧卉等[6]設計的可調式籠體結構如圖2(d)所示，在籠體中設有若干相互平行且可上下移動的限位桿，利用限位桿可對試驗豬只的腰高進行限制。王曉鳳等[7]將封閉門設計為進籠梯板。試驗時可打開封閉門，以方便試驗豬只進入籠內；可快速拆卸籠體各部件，以便于運輸。

圖2　可調節式籠體結構

2.2　飲水裝置

豬用自動飲水器的種類有鴨嘴式、乳頭式、碗槽式、杯式等，其中鴨嘴式自動飲水器應用最為普遍。在生豬消化代謝籠中，飲水器的安裝形式一般有固定式和可調節式兩種。采用可調節式，可以對飲水器的高度進行調節，以適應不同個體大小的試驗豬只。

如圖3(a)所示，將鴨嘴式飲水器通過升降可調式結構安裝在折疊門上，可對飲水高度進行調節[5]；如圖3(b)所示，在生豬消化代謝籠中，通過螺栓將碗式飲水器固定在支撐板上，利用支撐板上不同高度的螺孔，實現飲水器的高度調節[8]；此外，在生豬消化代謝籠中，還可以通過插銷結構實現飲水器高度的調節[9]。固定式飲水器可被安裝于籠內或籠外，如趙智勇等[10]設計生豬消化代謝籠時將飲水器懸掛固定在籠門外側。

圖3　高度可調式飲水裝置

試驗時，由于需精量測定生豬的飲水量并對飲水量進行精準控制，因此部分消化代謝籠設置有流量精準監測和飲水量控制裝置。

王建平等[1]在籠體的前端設置了自動飲水裝置和流量檢測裝置，可準確測量試驗豬只飲水量；王麗等[11]在設計的生豬代謝籠中，讓飲水器位于進食槽的一側，在進水管上安裝了計量表、截止閥和水量控制閥等部件，能對試驗豬只的飲水量進行計量和控制；董冰等[9]在飲水器下方設置了廢料回收槽，可解決因殘料浪費而造成的飼喂量記錄不準確問題；劉太記等[12]在進水管上設置有電磁流量計量閥，能對飲水量進行精確計量；鄧卉等[8]利用儲水箱外的刻度線計算試驗豬只的飲用水量，并在儲水箱內設置了濾水水膽、溫度探針和加熱棒，不僅可對水質進行過濾處理，還可將飲水加熱至溫熱狀態，有利于試驗豬只的健康。

2.3　飼喂裝置

目前，在進行生豬消化代謝試驗時，試驗人員多采用直接將飼料倒入飼喂槽的飼喂方法，在飼料倒入飼喂槽前完成飼喂量的測定。根據飼喂槽的安裝位置，可將飼喂裝置分為籠內安裝和籠外安裝兩種。籠內安裝雖可方便試驗豬只采食，但會減少豬只活動的空間，降低豬只活動時的舒適度；籠外安裝雖不影響豬只活動空間，但對安裝結構的強度和穩定性有一定要求。籠外安裝的飼喂裝置如圖4(a)所示[13]，籠內安裝的飼喂裝置如圖4(b)所示[14]。

圖4 　不同安裝位置的飼喂裝置

根據飼喂槽的安裝方式，可將飼喂裝置分為固定式和可調節式兩種。董冰等[8]在設計代謝籠時，通過插銷結構將喂料槽連接于前柵欄上，并設有喂料槽擋欄，可調節其高度和控制喂食量；趙燕等[15]在設計代謝籠時，通過翻轉連接機構對食槽進行安裝和支撐，使食槽可拆卸和翻轉，方便添加食料和清潔；沈維軍等[13,16]在設計代謝籠時，讓料槽可根據試驗豬只體型的大小進行高度調節，同時使用了帶門鎖機構的料槽，能方便地控制豬的采食量和采食時間；王曉鳳等[17]將飼料槽設置于籠體底部，通過伺服電機裝置實現自動間歇式添加飼料，以避免浪費飼料。

2.4　代謝產物收集裝置

在消化代謝試驗中，需準確測定試驗豬只的代謝產物。如何利用生豬消化代謝籠實現試驗豬只糞便和尿液的有效分離和精準收集，是生豬消化代謝籠設計的瓶頸問題。目前，設置在生豬消化代謝籠上的代謝產物收集裝置一般有固定式、抽屜式和皮帶輸送式3種形式。無論采用哪種形式的收集裝置，均需要人力輔助對試驗豬只的糞便和尿液進行收集。固定式代謝產物收集裝置如圖1(a)和圖2(b)所示；抽屜式代謝產物收集裝置如圖5(a)所示[2]；皮帶輸送式代謝產物收集裝置如圖5(b)所示[16]。

圖5 　不同型式的代謝產物收集裝置

此外，相關人員還對部分代謝籠的代謝產物收集裝置進行了結構優化改進，以便于糞便和尿液的分離和收集。王曉鳳等[17,18]通過設計安裝導板、濾板、截流條和擋糞板并使其互相配合，可使代謝產物的分離和收集更高效；王修啟等[3]在籠體底部活動底網下設置了能前后移動的集糞裝置和集尿裝置，可根據試驗豬只體型大小調整位置，確保了糞尿的完全分離和采集；鄧卉等[6,8]、鄧耀輝等[2]通過在籠體底部設置可滑動的濾網和收集槽結構，實現代謝產物的分離和收集；鄭濤等[19]設計了帶稱重功能的尿液收集盤和糞便收集斗，可精確測量代謝產物的質量；沈維軍等[13,16]利用安裝在漏縫底板下的皮帶輸送裝置，實現代謝產物樣品的收集。

2.5　其他輔助裝置

除了籠體、飲水裝置、飼喂裝置和代謝產物收集裝置等主要功能裝置外，根據不同的使用需求，還可給生豬消化代謝籠增加一些其他輔助裝置，如福利玩具、清洗裝置、稱重裝置等。鄧卉等[20]通過在籠體內部設置含有鈴鐺的球體福利玩具，可減少試驗豬只在籠中的應激反應；鄭濤等[19]通過配置空氣壓縮機、水泵和沖刷泵等設備，對生豬消化代謝籠進行清洗，降低了人工清洗的勞動強度；劉太記等[12]通過在籠體上設置噴水閥組(噴頭)來實現籠體的清洗；趙燕等[21]通過在籠體底板下方設置電子秤，能直觀地測出豬只的體重；沈維軍等[13,16]通過在籠體底座的前端安裝稱重儀表并在下部安裝傳感器，能實現對試驗豬只體重和采食情況的實時監控。

3　生豬消化代謝籠專利分析

為了進一步分析生豬消化代謝籠近年來的發展趨勢，對生豬消化代謝籠專利的時間、類型、地域和申請人等信息進行了統計。數據來源為soopat專利搜索和大為innojoy專利搜索網站。檢索式為“名稱=豬and代謝籠”，檢索時間為2021年8月27日。經篩選后獲得的相關數據為：中國專利31項，其中實用新型24項、發明專利6項、外觀設計1項。

3.1　專利申請數量分析

通過對我國歷年生豬消化代謝籠專利申請數量進行統計，可初步判斷該領域新技術的研發熱度和更新速度。歷年生豬消化代謝籠專利申請數量及變化趨勢如圖6所示。

圖6 　歷年專利申請數量趨勢圖

由圖可知，我國對生豬消化代謝籠的研究和創新起步較晚，直到2010年才出現生豬消化代謝籠專利的申請。隨著技術的積累，同時受到“非洲豬瘟”的影響，自2017年后，生豬消化代謝籠專利申請量呈現出快速增長的趨勢，從2017年前的每年1～2項迅速增長到2020年的11項。由于生豬消化代謝籠屬于科研試驗設備，因此專利申請量的增長從側面說明了業內對生豬養殖代謝等領域的研發投入不斷加大。

3.2　專利類型分析

通過對發明專利、實用新型專利和外觀設計專利3種類型專利的申請數量進行統計，特別是對發明專利申請數量進行統計，可以了解我國生豬消化代謝籠的創新情況。專利類型分布情況如圖7所示。

圖7　專利類型分布圖

統計可知，在已有的31項專利申請中，發明專利有6項，約占專利申請總量的19.35%；實用新型專利有24項，約占專利申請總量的77.42%；外觀設計專利有1項，約占專利申請數量的3.23%。分析可知，目前申請的生豬消化代謝籠專利以實用新型專利為主，創新性更高的發明專利數量不多。這與生豬消化代謝籠的產品特點有關。由于生豬消化代謝籠僅用于實驗室中的生豬消化代謝試驗，功能需求較單一，因此在滿足功能需求的前提下，研究人員一般不會對生豬消化代謝籠的結構和功能進行創新設計，只會對現有的生豬消化代謝籠進行結構改進，以提高其使用便利性。這也解釋了實用新型專利較多的原因。

3.3　專利省份分布分析

通過對我國生豬消化代謝籠各專利的所屬省份分布情況進行統計，可了解該領域相關技術在不同省份的發展情況。專利的省份分布情況如圖8所示。

圖8　專利的省份分布圖

統計可知，四川省生豬消化代謝籠專利申請數量最多，在已有的31項專利申請記錄中占了8項。此外，專利申請數量較多的省份還有北京和湖南，分別申請了7項和4項專利。專利申請量的多少，主要取決于該省畜牧領域相關科研院所的研究方向以及生豬產業發展情況。在專利申請數量較多的省份中，四川和湖南均是生豬養殖大省，2019年和2020年，四川和湖南的生豬出欄量分別位居全國第一、第二；由于北京研究生豬養殖代謝的相關科研院所眾多，對生豬消化代謝籠有較強需求，因此北京的專利申請量排名靠前。

3.4　申請人類型分析

專利權人是專利權的所有人及持有人的統稱。對專利權人的類型進行統計，可了解該領域的創新主體情況。專利權人的類型分布情況如圖9所示。

圖9　專利權人類型分布圖

由圖可知，在已有的31項生豬消化代謝籠的專利中，專利權人為科研院所的有14項，專利權人為高校的有14項，專利權人為企業的僅有3項。專利權人為高校和科研院所的專利占比超過90%，可見我國生豬消化代謝籠專利的創新主體仍是以高校和科研院所等研究型單位為主。這同樣是由生豬消化代謝籠的產品特點造成的。由于生豬消化代謝籠本身是實驗室科研設備，主要使用人群也是高校和科研院所的研究人員，生豬消化代謝籠的設計和升級多來自于科研人員在實際使用過程中的創新活動，因此申報專利的專利權人也集中在高校和科研院所。

3.5　申請人構成分析

對專利申請人的構成進行分析，可了解相關技術領域的專利技術主要掌握在哪些人手中，為研究提供參考依據。生豬消化代謝籠相關專利申請量排在前8位的申請人構成情況如圖10所示。

圖10　申請人構成情況

從上圖可知，生豬代謝籠的專利申請量排在前8位的申請人為四川農業大學、北京市畜牧總站、四川省畜牧科學研究院、云南省畜牧獸醫科學院、中國農業大學、山西農業大學、湖南農業大學和湖南中本智能科技發展有限公司，其中包括4所高校、3個研究院所和1家企業；專利申請合計數量為24件，約占專利申請總量的77.4%。專利申請人的構成情況進一步印證了前文對專利省份分布和申請人類型分布情況的分析。

4　結語

從籠體結構、飼喂裝置、飲水裝置、代謝產物收集裝置等幾個方面分析了生豬消化代謝籠的研究現狀和發展趨勢，并對現有生豬消化代謝籠專利信息進行了統計與分析，總結了生豬消化代謝籠發展的瓶頸與趨勢。

(1)自動分離、收集和保存代謝產物。使用目前已有的生豬消化代謝籠，由于分離、收集和保存代謝產物仍需人工高度參與，且尚未完全解決符合消化代謝試驗要求的代謝物分離程度、代謝物樣本污染、代謝物樣本保存等問題，因此現有設備仍存在較大的優化改進空間。

(2)精量監測與控制飼喂飲水。使用目前已有的生豬消化代謝籠，大多仍采取人工的方式監測與控制飼喂飲水。雖然某些產品具有實時記錄飲水量的功能，但未見報道能精準計量和控制飼喂量的生豬消化代謝籠。飼喂裝置仍有待于進一步升級。

(3)價格、成本與市場問題分析。生豬消化代謝籠屬科研設備，應用范圍不廣且市場價格不高，以致市場體量和利潤空間不大。由于生豬消化代謝籠的市場體量和利潤空間均不大，再加上技術創新升級還將進一步提高成本，因此無法激發企業的創新活力和參與熱情。這些問題均制約了生豬消化代謝籠的創新升級和技術發展。

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Present state and patent analysis of pig digestive and metabolic cages

LI Zhuo1，WU Bei1*，JIANG Tao1，JI Bang1，WU Mingliang1，FAN Zhiyong2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2. College of Animal Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

Researchers often use digestion and metabolism experiments to study the metabolism of nutrients in pigs. Pig digestion and metabolism cage is the key test equipment for digestion and metabolism experiments. The present state and the structural characteristics of the devices (e.g., digestive and metabolic cage, feeding device, drinking device, metabolite harvesting device, and welfare toy) were summarized through statistics, analysis, and summary of existing patent literature on digestive metabolic cages in China. In addition, the information (e.g., number of applications, type of patents, distribution of provinces, patentees, and composition of applicant type) of the patients were analyzed. The bottlenecks and trends of innovation and development of pig digestive and the metabolic cage were summarized, to provide a reference for the further optimization design and upgrading of the cage.

pig breeding; digestive and metabolic cage; feeding and drinking device; metabolite harvesting device; patent analysis

S858

A

2096–8736(2021)05–0001–06

李卓(1998—)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要研究方向為農業機械創新設計。

通信作者：鄔備(1988—)，男，湖南長沙人，博士，講師，主要研究方向為農業機械創新設計。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立