授粉器技術(shù)專利分析

陳 佩 ， 馬彧博

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300304）

1 授粉器概述

人工授粉技術(shù)是用人工方法把植物花粉傳送到柱頭上以提高籽實(shí)率，或有方向性改變植物物種的技術(shù)措施。傳統(tǒng)的雜交授粉主要有點(diǎn)授和桿授[1]。目前，我國(guó)人工授粉技術(shù)存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、成本高等問(wèn)題[2]，這些問(wèn)題已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的絆腳石。而授粉器是人工授粉過(guò)程中使用的授粉設(shè)備，能夠方便、高效地完成授粉動(dòng)作，節(jié)省人工勞動(dòng)，提高授粉成功率，已成為現(xiàn)代化、精細(xì)化農(nóng)業(yè)中一項(xiàng)重要設(shè)備。隨著雜交技術(shù)的廣泛應(yīng)用，針對(duì)不同雜交作物的授粉器也層出不窮。在小麥[3]、水稻[4]等糧食作物以及獼猴桃[5]、番茄[6]等園藝植物中以及落葉松[7]等林業(yè)植物中廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，還出現(xiàn)了通過(guò)直升飛機(jī)搭載航模，遙控實(shí)現(xiàn)授粉作業(yè)的技術(shù)[8]。有學(xué)者稱根據(jù)不同作物的高度、生長(zhǎng)周期、葉面大小等方面進(jìn)行綜合考慮，制定出合理的風(fēng)場(chǎng)、飛行速度、高度等數(shù)據(jù)，依據(jù)不同種類的花蕊，采用科學(xué)的授粉計(jì)算方法，確定最佳授粉時(shí)期，實(shí)施無(wú)人機(jī)的趕花授粉，是機(jī)械化授粉發(fā)展的方向[9]。然而，現(xiàn)有的研究中僅僅針對(duì)個(gè)別、單一作物的授粉器進(jìn)行介紹或研究，缺少對(duì)授粉機(jī)構(gòu)原理的梳理、總結(jié)和持續(xù)關(guān)注，導(dǎo)致授粉器技術(shù)難以形成系統(tǒng)理論并迭代更新，難以在不同作物之間相互借鑒和推廣，進(jìn)而難以產(chǎn)業(yè)化。因此，本文對(duì)授粉器技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行了分析，以推動(dòng)我國(guó)授粉器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步。

2 專利申請(qǐng)總體態(tài)勢(shì)及技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)

截至2021年4月10日，在incopat同族數(shù)據(jù)庫(kù)檢索后經(jīng)過(guò)人工標(biāo)引，得到授粉器技術(shù)相關(guān)專利申請(qǐng)共計(jì)1190項(xiàng)，圖1為授粉器相關(guān)專利全球申請(qǐng)趨勢(shì)以及技術(shù)來(lái)源國(guó)，由圖1可以看出，授粉器相關(guān)專利主要技術(shù)來(lái)源國(guó)是中國(guó)，申請(qǐng)量占82.9%，可能因?yàn)橹袊?guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)逐漸向省力化栽培的方向發(fā)展。而機(jī)械化是助力省力化栽培的重要方式，人工授粉是勞動(dòng)力密集型生產(chǎn)技術(shù)，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，機(jī)械化授粉發(fā)展迫在眉睫。因此，授粉器專利相關(guān)的申請(qǐng)量逐年增加。其次是韓國(guó)、美國(guó)和日本，上述3個(gè)國(guó)家也是農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)。通過(guò)圖1的專利申請(qǐng)趨勢(shì)可以看出專利申請(qǐng)總體趨勢(shì)分為以下三個(gè)階段。

圖1 全球?qū)＠纳暾?qǐng)趨勢(shì)及技術(shù)來(lái)源國(guó)

1）2009 年之前的探索期。授粉器的專利年申請(qǐng)量在9項(xiàng)以下，申請(qǐng)人以個(gè)人申請(qǐng)為主。主要研究了授粉器的手動(dòng)、電動(dòng)形式，針對(duì)不同作物的便攜式設(shè)備、大型機(jī)械化設(shè)備，以及通過(guò)起動(dòng)、噴霧、搖晃、電磁振動(dòng)等工作原理。

1921年的專利US1528664A 公開(kāi)了最早的授粉器，一種利用手動(dòng)雙向活塞泵對(duì)果樹(shù)進(jìn)行氣動(dòng)采粉、授粉的裝置，它具有維持花粉活性的加熱器和惰性承載介質(zhì)。1932年的專利US1923217A公開(kāi)了一種針對(duì)室內(nèi)番茄的搖晃式授粉器，通過(guò)電動(dòng)蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)搖動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有植株同時(shí)搖晃授粉。1940—1955年的專利US2257036A 、US2709320A 、US2749664A和 US2775065A公開(kāi)了一種大田授粉車，通過(guò)車載人力踏板或其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)鏈條機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)刷的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)車后較大面積的苜蓿進(jìn)行授粉，提高了大田授粉效率。1946年的專利US2548487A公開(kāi)了最早的授粉槍，通過(guò)手動(dòng)氣囊提供壓縮氣體，吹動(dòng)花粉儲(chǔ)存器內(nèi)的花粉經(jīng)過(guò)延伸管達(dá)到高大果樹(shù)的雌蕊，方便高效。1977年的專利US4087937A首次提出了專門應(yīng)用于雜交的授粉器，先將玉米父本、母本間作，后利用車載振動(dòng)器搖晃中間多排父本使其花粉脫落，引風(fēng)機(jī)抽吸花粉并同時(shí)排出給兩側(cè)多排母本，極大提高了雜交效率。1978年的專利US4159596A公開(kāi)了一種人工定向授粉袋，將自交玉米的雌雄花套袋連接，以產(chǎn)生高純度。1980年前蘇聯(lián)勞動(dòng)紅旗農(nóng)學(xué)院的專利SU921478A1公開(kāi)了一種授粉器，具有電磁波音頻振蕩器和氣動(dòng)式脈動(dòng)器，用于采集花粉并使之膨松化；高壓靜電場(chǎng)，用于對(duì)花粉除塵，減少了機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)花粉的損傷，提高了花粉純度。1985年的專利US4644683A公開(kāi)了一種授粉直升機(jī)，安裝有丙烷燃燒器，直接加熱苜蓿花附近的空氣，高溫使花朵開(kāi)放，下沉氣流的攪動(dòng)促進(jìn)花粉在田間傳播，從而提高授粉率。

2）2010—2014年的快速發(fā)展期。年申請(qǐng)量從21項(xiàng)逐漸增加到47項(xiàng)，中國(guó)申請(qǐng)人研究活躍，申請(qǐng)量占比從57%逐漸提高到85%左右。主要在上一階段相關(guān)技術(shù)分支上進(jìn)一步研究，首次出現(xiàn)了專門搭載于無(wú)人機(jī)的授粉器，授粉作業(yè)空間進(jìn)一步拓展。

2012年的專利CN203251753U公開(kāi)一種氣流式授粉器噴頭，具備增壓分流頭。動(dòng)力氣流由增壓分流頭的氣流入口進(jìn)入增壓分流頭，然后由增壓分流頭的兩個(gè)氣流出口增壓分流進(jìn)入花粉罐，氣流攪動(dòng)花粉罐內(nèi)的花粉，使花粉在花粉罐的上部空間呈粉塵狀，粉塵狀的花粉隨氣流由花粉罐上端的噴粉孔噴出。該授粉器噴頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，性能穩(wěn)定可靠。2012年珠海羽人飛行器有限公司的專利CN103503764B 公開(kāi)了一種具有氣力授粉裝置的無(wú)人直升機(jī)，懸吊徑向進(jìn)風(fēng)的風(fēng)機(jī)在植株尖端掠飛，強(qiáng)力吹動(dòng)花粉，并可將部分花粉吸入風(fēng)機(jī)后吹出，授粉效果好，作業(yè)效率高。2013年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的專利CN103238513B公開(kāi)了一種適用于無(wú)人機(jī)授粉作業(yè)的機(jī)載裝置，通過(guò)將垂直方向的風(fēng)場(chǎng)轉(zhuǎn)變水平方向的風(fēng)場(chǎng)，從而提高了授粉的效率和效果，同時(shí)還有效隔離了飛行器形成的風(fēng)場(chǎng)對(duì)授粉的影響。2014年先鋒國(guó)際良種公司的專利CN103929949A公開(kāi)了一種對(duì)多個(gè)植物批量授粉的授粉裝置，其將多個(gè)已知花粉粒載入批量花粉分配裝置，使用電子傳感器檢測(cè)目標(biāo)授粉位置，當(dāng)電子傳感器檢測(cè)到目標(biāo)授粉位置并到達(dá)預(yù)定距離時(shí)，批量花粉分配裝置將花粉粒分配至多顆植物，完成多顆植物的授粉。2014年天津澤宇農(nóng)產(chǎn)品種植公司的專利CN203708989U公開(kāi)了一種針對(duì)水稻雜交制種輔助授粉機(jī)械裝置，通過(guò)設(shè)置橫梁、焊接與機(jī)動(dòng)車鏈接的連接耳、托架、立板、牽引環(huán)等，通過(guò)機(jī)動(dòng)車的牽引作用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化拉花授粉，改善了人工拉花授粉不均勻現(xiàn)象，最大程度實(shí)現(xiàn)了機(jī)械輔助授粉，提高了拉花效率和制種產(chǎn)量。2014年成都錦匯科技有限公司公開(kāi)了一種電動(dòng)授粉器，通過(guò)設(shè)置電機(jī)、蓄電池、轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪、傳輸皮帶、花粉收集器可以達(dá)到收集花粉更加方便、效果好、避免花粉浪費(fèi)的技術(shù)效果，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適合果樹(shù)的授粉。

3）2015 年以后的爆發(fā)期。年申請(qǐng)量從71項(xiàng)逐漸增加到2018年的215項(xiàng)（2019年之后的專利未全部公開(kāi)），中國(guó)申請(qǐng)人更加活躍，申請(qǐng)量占比達(dá)到95%左右。主要在上一階段相關(guān)技術(shù)分支上進(jìn)一步研究，授粉器技術(shù)趨近多元化、自動(dòng)化、智能化。

2015年俄羅斯聯(lián)邦國(guó)家預(yù)算科學(xué)研究所的專利RU2588451C1公開(kāi)了一種無(wú)人機(jī)授粉裝置，具備授粉用螺旋槳及其控制偏心機(jī)構(gòu)，能夠精確控制授粉用螺旋槳吹風(fēng)方向，提高了授粉質(zhì)量。2016年黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所的專利CN205357552U公開(kāi)了一種太陽(yáng)能手持式采粉和授粉于一體的電動(dòng)裝置，進(jìn)一步拓展了授粉器能源范圍。2017年的專利CN108782223A 公開(kāi)了一種自動(dòng)飛行授粉設(shè)備，具有圖像采集裝置、圖像識(shí)別裝置及授粉裝置，圖像采集裝置采集農(nóng)作物航拍影像，圖像識(shí)別裝置儲(chǔ)有默認(rèn)的農(nóng)作物花朵圖像數(shù)據(jù)庫(kù)而辨識(shí)出目標(biāo)花朵的種類和位置，進(jìn)而自動(dòng)控制飛行構(gòu)件，調(diào)整無(wú)人飛行裝置的飛行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)授粉。2017年華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的專利CN107347628B公開(kāi)了一種用于多旋翼飛行器的涵道授粉裝置，可調(diào)整涵道風(fēng)扇的作業(yè)角度，產(chǎn)生水平方向的風(fēng)場(chǎng)，從而使風(fēng)場(chǎng)的方向與花粉的擴(kuò)散方向吻合，利于花粉的擴(kuò)散，提高了授粉的效率。且涵道授粉裝置可以有效隔離多旋翼飛行器產(chǎn)生的垂直風(fēng)場(chǎng)對(duì)植株授粉的影響，保證了授粉的效果。2018年先正達(dá)法國(guó)公司的專利FR3078859B1公開(kāi)了一種具備空氣流量放大器的授粉器，空氣流量放大器利用康達(dá)效應(yīng)以在輸送通道內(nèi)誘導(dǎo)空氣從花粉收集裝置流向花粉分配裝置的流動(dòng)，節(jié)約了能源。2020年鄭玨的專利CN112189558A公開(kāi)了一種收粉率高的農(nóng)用授粉無(wú)人機(jī)，其通過(guò)在花粉箱中設(shè)置降溫管，降溫管中裝冷卻液循環(huán)流動(dòng)，可防止溫度升高影響花粉活性。另外，還通過(guò)設(shè)置放電針?lè)烹姡沟脟姵龅幕ǚ蹘в须姾桑菀赘街诨ǘ渖希岣呤诜鄢晒β省?/p>

3 主要申請(qǐng)人分析

圖2顯示了授粉器相關(guān)專利主要申請(qǐng)人，由圖2可以看出，授粉器相關(guān)專利主要申請(qǐng)人均來(lái)源中國(guó)，排名第一的是四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，其申請(qǐng)量有14項(xiàng)，第二和第三分別是成都錦匯科技有限公司和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，分別為12項(xiàng)和11項(xiàng)。其次是湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)和安徽科技學(xué)院，申請(qǐng)量均為10項(xiàng)。申請(qǐng)量排名前10位的還包括個(gè)人申請(qǐng)，總體而言，科研院所和高校占比較大，公司以及個(gè)人申請(qǐng)量占比較低。說(shuō)明我國(guó)授粉器專利主要以科研為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。

圖2 全球?qū)＠暾?qǐng)人排名（單位：項(xiàng)）

4 結(jié)語(yǔ)

授粉器技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。探索期的專利申請(qǐng)以個(gè)人申請(qǐng)居多，主要研究了各種授粉器的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和工作原理，但未形成產(chǎn)業(yè)化。快速發(fā)展期內(nèi)中國(guó)申請(qǐng)人研究活躍，主要在上一階段基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究，出現(xiàn)了通用零部件；無(wú)人機(jī)的使用進(jìn)一步拓展了授粉作業(yè)空間，爆發(fā)期內(nèi)中國(guó)申請(qǐng)人更加活躍，申請(qǐng)量占比達(dá)到95%左右；授粉器技術(shù)趨近多元化、自動(dòng)化、智能化。未來(lái)，隨著雜交技術(shù)進(jìn)一步推廣，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平進(jìn)一步提高，授粉器技術(shù)有望成為智慧農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要推動(dòng)力。