馬鈴薯微型薯機械化生產關鍵技術與裝備研究進展

段宏兵，徐濤，蔡興奎，姚飛虎

1.華中農業大學工學院，武漢 430070; 2.農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室，武漢 430070

馬鈴薯是我國第四大糧食作物，對于保障我國居民糧食供給安全、減少資源環境壓力和改善居民營養膳食結構具有重要意義[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調“馬鈴薯的產量和質量與種薯密切相關。種薯不行，就沒有產量，也沒有質量。”[3]。隨著我國馬鈴薯脫毒技術的推廣，馬鈴薯的種薯質量體系已經完善，馬鈴薯微型薯(以下全文簡稱為“微型薯”)產量也在逐年提升，但居高不下的生產成本嚴重阻礙了優質微型薯的使用[4]。其原因主要在于，現階段馬鈴薯微型薯的生產過程以人工作業為主。隨著我國勞動力結構變化，人力成本逐年增加，隨之而來的優質微型薯的生產成本也連年上升。馬鈴薯微型薯的生產過程中農藝繁雜、勞動強度大和效率低。因此，發展微型薯的機械化生產技術及裝備是我國馬鈴薯生產發展的必由之路，是提高我國馬鈴薯綜合機械化水平、推進農業現代化的重要舉措之一[5]。微型薯的生產區域要求嚴格，大都分布在邊遠山區，加快微型薯生產機械化的推進也是鞏固精準扶貧成果的有力措施之一[6]。

本文從微型薯的生產農藝要求出發，對微型薯的機械化生產技術與裝備的研究現狀進行分析，圍繞微型薯種植的農藝過程，提出了我國微型薯機械化發展的關鍵技術與未來的發展趨勢。

1 微型薯的種植農藝過程

隨著科學技術的發展，為提升馬鈴薯商品薯的品質和產量，馬鈴薯的生產過程發生了重大的變化，即在原來的整地-播種-田間管理-殺秧-收獲-運輸儲存的生產過程中增加了微型薯的生產。當前微型薯的生產農藝過程如圖1所示，主要包括以下幾個方面。(1)莖尖脫毒。選取塊莖、植株芽條或者帶病毒試管苗結合熱處理等常規消毒處理，在解剖鏡下無菌剝離分生組織。將分生組織進行培養、成苗、擴繁、病毒及類病毒檢測，經遺傳穩定性鑒定后工廠化快速繁殖使用[7]。(2)試管培養。是指將剝離下來的組織、細胞置于人工可控的無菌條件下，在營養充分、培養條件適宜作物生長的人工合成培養基上，使組織、細胞發育成完整馬鈴薯植株的過程。(3)組培繼代。是指將試管培養的馬鈴薯植株切割分段，放置在含有營養基的培養盒中，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，實現脫毒薯苗的快速繁殖[8]。(4)介質栽培。是指將組培繼代后的馬鈴薯組培苗植株移植到培養介質中，生成微型薯的過程[9]。(5)種薯大田擴繁。是指將微型薯按照馬鈴薯種薯的種植農藝要求，在大田中進行兩代繁育，最終完成優質商品種薯的生產[10]。

圖1 馬鈴薯微型薯生產的農藝過程示意圖

2 微型薯的機械化生產技術

通過聯機檢索，在國外尚未有成熟的微型薯機械化生產技術與裝備的文獻報道。究其原因是：在國外，任何一個國家對微型薯的需求量與我國相比，均不在一個數量級上。另外國外微型薯的生產與管理體系健全，其品質在五代、六代后都能保證，微型薯的需求量相對較少，整個過程的人工成本能夠被接受，對機械化的需求也不迫切。而在我國，為提高商品馬鈴薯的產量和品質，近年來開始廣泛采用優質商品種薯，也導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前的需求。同時隨著我國勞動力成本的增加，微型薯的價格也越來越高，因此對微型薯的機械化生產技術與裝備的迫切性也越來越高。微型薯的生產是從莖尖脫毒開始，通過試管培養、組培繼代的方式形成大量的組培苗，再對組培苗采用不同的栽培介質，從而形成微型薯。微型薯生產包括莖尖脫毒、試管培養、組培繼代、介質栽培等4個過程。由于在莖尖脫毒、試管培養這2個過程中，所耗費的時間短，對病毒識別要求高。相對于組培繼代的人工需求量極少，因而對機械化的要求較低。

2.1 組培繼代所需的機械化生產技術

組培繼代的主要操作步驟：將培養瓶從培養室搬運至操作間，并放置于工作臺上；利用乙醇、火焰等對培養瓶表面、剪刀、鑷子等工具進行消毒；打開培養瓶；剪刀深入瓶中，進行組培苗分割作業；將裝有繼代培養基的新培養瓶放在工作臺上；用鑷子進行移植作業；新培養瓶移植完成后加蓋[11]。如圖2所示，組培繼代時分割的馬鈴薯組培苗生長段都要有1～2個腋芽，因此在組培繼代時機器視覺技術的應用是必不可少的。機器視覺系統的用途是識別腋芽在整個植株的位置，以及確定每一個斷口的位置。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 介質培養所需的機械化生產技術

介質栽培過程是將組培苗移植到培養介質中，置于防蟲網室內進行日常管理直至收獲微型薯的過程。按照培養介質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；然后按照農藝要求進行管理，直至收獲；收獲時先將地表的馬鈴薯秧去除；蛭石與微型薯倒入多層篩網中，實現蛭石與微型薯的分離與分級[12]。

氣霧栽培步驟：將馬鈴薯組培苗煉苗；從培養瓶中取出組培苗；組培苗根系剪除；插入水培板栽培孔；進行生根管理；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，收獲時要多次進行[13-15]。

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

當前溫室系統和溫室生長條件控制系統所用的技術與設備相對成熟，已廣泛應用在蔬菜、花卉等高附加值的作物上[16-17]。當前智能化環境監控系統也已經在日光溫室的微型薯生產中得到應用[18]。

對于微型薯的收獲，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，不能統一收獲，機械化收獲的難度大。而蛭石栽培的微型薯收獲時間相對集中，機械化收獲的難度較小，一般采用振動篩實現微型薯與蛭石的分離。

2.3 微型薯播種所需的機械化生產技術

微型薯機械生產技術與馬鈴薯種薯的生產技術基本相同，都是采用播種機將種薯播種到大田，經過相同的田間管理技術收獲馬鈴薯優質商品種薯的過程。但微型薯存在著單粒種薯質量大、個體差異大等特點[19]，需要帶芽播種(圖3)，因此，在播種技術上與馬鈴薯種薯有一定差異。對于微型薯的播種技術當前主要有氣吸式排種和鏈勺式排種2種方式[20]。

圖3 待播種狀態的馬鈴薯微型薯

綜上所述，微型薯生產過程中的農藝過程復雜，所需要的技術多樣。筆者認為當前亟需解決的技術有以下幾個。

1)農機農藝融合技術。農業機械化的目的是為了提高生產效率，降低勞動生產率，從而達到降低生產成本的目的。但是農業機械化由于機械結構、材料使用等局限性，對農藝也提出了相應的要求，因而在解決微型薯機械化生產中亟需解決的就是農機農藝融合技術。如組培迭代與蛭石培養中培養瓶的規格型式的統一有利于機械化操作。

2)組培苗識別技術。在組培迭代與介質培養過程中，組培苗都要被抓取和切割，其抓取和切割位置對后續的培養質量至關重要。尤其是在切割后要保證切割后的組培苗上必須有1個腋芽，因而對單株組培苗以及腋芽位置的識別技術是當前必須解決的技術問題之一。

3)組培苗抓取技術。在組培迭代和介質培養過程中，組培苗都要移動位置，因而需要對組培苗抓取技術和裝置進行研究。由于組培苗群體密集、植株柔細、易受傷等客觀原因，常規的機械抓取裝置存在結構相對較大、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。當前組培苗切割都是采用人工機械切割的方式進行，切割過程中為防止組培苗間的交叉感染，每次切割后必須對切割刀進行消毒。同時由于組培苗群體密集、消毒過程運動復雜、切割刀消毒時間過長等因素限制，切割時要求切割刀、切割裝置的結構、傳動系統等的結構尺寸較小，能實現快速消毒。這些要求采用傳統的機械切割方式是相對較難實現的，所以組培苗無接觸切割技術是亟需解決的問題之一。

3 微型薯的機械化裝備研究現狀

在微型薯的生產過程中，組培繼代與介質栽培最為繁瑣與重復，同時人工成本和勞動強度巨大。據統計，發達國家的勞動力成本占組培生產總成本的60%～70%，使組培產業在成本與效益的維持上出現困難，已有部分公司將組培生產轉移到人力成本較低的國家[10]。因而，在20世紀90年代國外相繼都開展了以機器人技術為基礎的組培繼代自動化生產設備或機器人，從而代替人工作業，達到提高生產效率和組培質量、降低成本的目的。但對介質培養與微型薯生產過程的機械化關注較少。

3.1 組培繼代機械化研究現狀

20世紀末期，日本開展了以機器人技術為基礎的組培機器人的研究。1992年，在日本召開的國際移植產品系統大會上展示了以“工業機器人手臂+特殊末端執行器”模式的多種繼代培養機器人樣機[10]。

研究人員開發了以百合為主要工作對象的鱗球型的繼代培養自動化作業系統[21]，整個系統包括進料用機械手臂、去根裝置、剝瓣裝置、圖像處理裝置、移植用機械手臂及培養瓶輸出裝置等[18]。該型移植設備具有4支手指用于同時挾取4片鱗片，每個收取容器經2次移植放入8片鱗片，每次移植動作需18 s，每天工作量為 4 800片。日本Kirin Brewery公司開發了TOMOCA系統，主要應用于叢生狀組培苗。該系統包括培養瓶輸送帶、直角坐標機械手臂、切割裝置、過濾裝置、圖像處理裝置和控制單元等。該系統每次可將培養瓶里面的組培苗分割成26塊,并以每9塊為1個單元移植到新的培養瓶中，其工作效率比人工高10倍[22]。日本東芝公司開發了適用于馬鈴薯、康乃馨等直立作物直立芽組培移植系統。該系統主要由完成切割、拾取、移植等工作的移植手臂、完成組培苗位置感應的測量手臂以及圖像處理系統組成[23]。該系統采用圖像處理技術對組培苗的切割點進行定位，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。

英國研究人員設計了一種基于機器視覺的機械臂移植系統。該系統利用一具3軸相互垂直的機械臂對苗株進行切割和移植。其節點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化生產系統,該系統主要由培養瓶移送機器人、瓶蓋開關機構、培養瓶消毒機構、組培苗移植機器人、末端抓取機構、分株機構及鎮壓機構等7部分組成。該系統可以完成培養瓶移送、開關瓶蓋、培養瓶消毒、抓取苗株、提升苗株、截取苗株、將截株放入新的培養瓶并壓入培養基等動作[25]。該系統移植1瓶組培苗約620 s，若以1 d工作8 h計算,此系統每天可完成127瓶,比人工作業(110瓶)略快。

圖4 條狀苗的自動化生產系統

從2005年開始，中國農業大學張鐵中團隊就開展了馬鈴薯組培繼代技術與裝備的研究[26]。楊麗[27]開發了一套針對條狀苗的組培苗分割移植機器人系統(圖5)。該系統采用機器視覺技術對瓶中每株苗進行識別定位，利用5自由度關節式切割移植機器人將苗從瓶中分別取出,再進行切割、移植。該機器取苗成功率為70.5%，剪苗成功率為71.8%。2015年，屈哲等[28]設計了一種基于整瓶移植的馬鈴薯組培苗剪切機構(圖6)所示。系統利用取苗機構將組培苗在培養瓶中聚攏、剪切，然后移植到新的培養瓶中，來代替人工操作，實現馬鈴薯組培苗攏苗、切苗過程的低污染、高效率和高質量的機械化作業。Xu等[29]也將機器視覺系統應用在馬鈴薯組培苗的單株腋芽的識別上，并通過算法的優化，確定組培苗的腋芽位置，并傳輸到抓取機械手上。

圖5 組培苗分割移植機器人系統試驗臺架

A:剪切機構 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構

3.2 介質培養機械化研究現狀

微型薯的介質栽培通常分為3個階段，即組培苗的移栽、組培苗的日常管理、微型薯的收獲和分級。介質栽培生產全程均在日光溫室內進行。

隨著自動控制技術提高，日光溫室綜合控制技術得到了快速發展。如趙桂生等[15]開發的日光溫室綜合自動控制技術在北京地區某溫室進行了使用。其室內空氣溫度在15～35 ℃,相對濕度為45%～95%，CO2濃度為350～2 200 μL/L，基本上達到了溫、光、水、氣等環境的綜合調控，種植作物的產量增加10%，品質也有改善。羅有中等[17]也對裝有環境智能監控系統生產微型薯的日光溫室進行了研究，證實該系統在控制溫室溫度、增加微型薯產粒數、提高微型薯合格率等方面效果明顯。

在目前階段，組培苗自動化、智能化移栽的研究相對較少。而在微型薯的收獲與分級上，由于功能需求旺盛，同時工作原理單一，結構簡單，已有成熟機型在生產上投入使用。如圖7A所示的定西馬鈴薯研究所設計的振動式微型薯收獲機，采用振動電機作為薯土分離的動力源。由人工將蛭石與微型薯的混合物倒入收獲機入口，在振動電機的作用下，振動篩做上下往復運動，從蛭石在振動中透過篩面落下，微型薯留在篩面上，最后移動到收集箱。圖7B為自走式微型薯收獲機，以小功率柴油機為動力，帶動驅動輪沿隔離墩行走。行走時挖掘鏟挖起微型薯與蛭石的混合物送到升運鏈，混合物隨升運鏈移動，完成微型薯與蛭石的分離，最終微型薯落入收集箱。

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

微型薯分級大多采用幾何尺寸進行分級，如圖8所示。該微型薯分級機采用雙對輥的形式帶動微型薯移動；雙對輥直徑在一定長度范圍內縮小，從而達到按照微型薯尺寸分級的目的。該機可將微型薯分為7級[30]。

圖8 馬鈴薯微型薯分級機

3.3 微型薯播種機械化研究現狀

法國ERME氣力式微型薯播種機采用氣吸式排種方式實現對微型薯的精密高速播種，能通過調換吸種盤排種不同大小的微型原種；在排種盤前設計了盛放圓盤，對微型原種進行排種、投種，確保微型原種種植的株距。該播種機播種之前需要對微型薯進行大小分級，播種時也要根據微型薯的大小更換吸種盤[31]。荷蘭APH帶式微型薯播種機采用輸送帶式排種方式實現對不同大小微型薯的播種。該機的優點是不需要對微型薯進行分級，播種過程中對微型薯的損傷率較小。缺點是拖拉機行進速度的變化會影響播種的株距。荷蘭Miedema公司生產的微型薯播種機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，株距的準確率有所提高[33]。Mcleod等[34]開發了一種氣力式馬鈴薯排種器，以負壓實現微型薯的吸種和攜種，正壓排種，從而實現了單粒微型薯的高速高精密排種。

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

4 微型薯機械化生產技術與裝備發展建議

4.1 加強農機農藝融合技術的研究

農業機械裝備與農業種植模式是密切相關的。馬鈴薯脫毒技術一直是農藝研究人員主導的新興農業增產技術，相關的機械化技術的介入是近幾年才開始的。尤其是在組培繼代和介質培養過程中所使用的技術與裝備與機械化的結構極為不適應。如現在市場上流行的組培苗培養盒、培養瓶(圖9)的內部空間狹小，限制了抓取、切割等機構的結構和尺寸。其次組培苗的生物特性和無序生長也是影響實現微型薯機械化生產的主要因素。

圖9 常用的馬鈴薯組培苗培養盒(瓶)

在采用機器視覺技術進行單株組培苗以及苗上的腋芽識別方向，由于組培苗生長凌亂，以及培養瓶的材質可能造成的光線角度改變，大大增加了組培苗識別算法設計的難度。同時，識別所需的設備只能采用雙目或者更多的攝像頭進行，同時攝像頭的精度也要求較高，這也增加了整套設備的成本和調試難度[39]。在抓取組培苗時，由于組培苗在瓶中，抓取裝置的結構與活動范圍受限，不能一次將成簇的組培苗全部抓取出來，同時培養基有一定黏度，也可能造成組培苗扯斷。另外，因培養瓶的結構限制，組培苗切斷裝置必須在培養瓶外部，高速旋轉的刀片勢必會將培養基與組培苗根系甩出，可能導致組培苗的交叉感染，也會帶來環境的污染。采用高速旋轉的機械式切割方式為防止組培苗的交叉感染，要對切割刀片定期消毒，這也將會導致整機工作效率的降低。

為降低組培繼代與介質培養中組培苗的識別、抓取、切斷時的難度，蔡興奎等[40]提出了一種新型組培盒(圖10)，并開展了培養效果的試驗。研究結果證實優化前后的組培盒在組培苗的生長周期和品質上無明顯差異，但優化后的組培盒的空間結構增加，降低了抓取、切割機構的設計難度，也可以將組培苗的機械切割方式轉變為激光切割方式，實現無接觸切割，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，當進行組培苗移植時，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行，因而抓取方式和切割方式相對于以前的培養瓶來說，選擇性較多。例如可以用無損傷的氣力抓取。同時新型組培盒設計了分苗板，也會使組培苗的下部位置有一定的規律，可以實現多根組培苗的同時抓取和切割，有利于提高工作效率。

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

以上僅僅是改變培養盒的形式，就為機械化裝備的設計與功能的實現帶來了諸多的便利，那么在微型薯生產過程中，實現農機與農藝的完全融合才能使微型薯生產的機械化成為可能，也才能降低微型薯的生產成本，加快馬鈴薯脫毒技術的快速推廣。

微型薯生產過程中的農機農藝融合技術除了以上組培盒型式的改變外，還應該探討組培苗生長的一致性(組培苗的高度、直徑粗細)、微型薯生長過程的宜機械化研究。

4.2 加速基礎共性技術機制的研究

無論是組培苗的組培繼代還是介質培養，均有一些共性的技術。對共性技術的研究有利于綜合考慮組培繼代和介質培養的農藝要求和農機裝備的協調發展，促使組培繼代和介質培養的設備一體化，減少種薯企業的投資，加快微型薯機械化生產技術與裝備的推廣。共性技術主要包括機器視覺系統、組培苗的抓取技術與裝備以及組培苗的切割技術與裝備等。

機器視覺技術的功能包括對成簇的組培苗實現識別出單株組培苗的算法、識別單株組培苗的腋芽的算法、快速計算組培苗切割位置的算法等。主要要求是快速、精準地為抓取裝置和切割裝置提供抓取和切割位置的準確信息，從而實現快速抓取和精準切割，提高整套設備的工作效率和精準度。

組培苗的抓取技術與裝備的目標要求是實現組培苗的高效、精準抓取。組培苗的抓取方式有機械抓取和氣動抓取2種。由于在抓取過程中不得傷害組培苗，氣動抓取方式的優勢較大。隨著柔性抓取技術的發展，可以準確實現抓取力的精確控制，同時柔性夾爪的外形尺寸、結構都可以做得較小，便于實現組培苗的抓取和放下。

組培苗的切割技術與裝備的技術要求是實現無損傷或者低損傷，促使組培苗快速生根生長。組培苗的切割方式有機械切割、激光切割、水力切割等。其中機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。在農機農藝融合后，機械式切割方式的缺點也越來越顯著。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，切割力大且不易控制，同時切割液的沖擊也會使組培苗的培養介質在工作臺上四濺，因而水力切割方式在組培苗的移栽中也不適合。激光切割技術作為新興的無接觸切割技術，具有切割速度快、無污染等特點，隨著農機農藝的深度融合，將會在組培苗的移栽和擴繁上應用更為廣泛，開展激光切割技術及裝置在組培苗的組培繼代中作用機制和生物特性的研究，將促進組培苗機械化生產中的智能化和自動化技術的提高。

4.3 爭取政策與資金的支持，加快我國種薯產業及機械化的發展

微型薯機械化生產技術與裝備是多學科融合的產物，所包含產業鏈長、研制開發的難度大，試錯的成本高，因而單純的依靠種薯生產企業是無法開展全產業鏈的研究的。因此，建議各級政府將微型薯生產機械化技術與裝備的研究列入公益性項目給予支持，同時對已有的技術裝備加快購機補貼的審核，及時將成熟的機械裝備列入國家與地方的農機購機補貼目錄，減輕種薯公司的資金壓力，降低優質商品種薯的價格，加快優質商品種薯的推廣，盡快達到農業農村部所提出的優質商品種薯的使用率達到45%的目標。