杏鮑菇形態(tài)及力學特性試驗研究

摘要：針對目前缺乏杏鮑菇的物理特征參數(shù)，測定杏鮑菇形態(tài)特征并開展力學特性試驗。利用三維激光掃描儀獲取杏鮑菇的三維模型，分析該模型并得到形態(tài)特征參數(shù)；采用質(zhì)構(gòu)儀開展杏鮑菇的壓縮、剪切以及彎曲試驗，得到杏鮑菇在不同加載速度下頭部、中部與尾部的彈性模量、抗壓強度與剪切強度以及整根的抗彎強度與彎曲彈性模量。結(jié)果表明：杏鮑菇的形態(tài)呈現(xiàn)兩頭寬中間窄，體積表型變異系數(shù)為38.06%，表明不同杏鮑菇的形態(tài)差異較為顯著；在不同加載速度下，杏鮑菇中部的抗壓強度以及彈性模型高于頭部與尾部，而剪切強度介于頭部與尾部之間，抗彎強度及彎曲彈性模量分別約為0.2"MPa與0.069"MPa。為后續(xù)杏鮑菇抓取末端執(zhí)行器提供理論指導。

關(guān)鍵詞：杏鮑菇；三維重建；形態(tài)特征；力學特性；表型變異系數(shù)

中圖分類號：S646""""""文獻標識碼：A""""""文章編號：2095?5553"（2025）"02?0147?06

Experimental study on morphology and mechanical properties of Pleurotus eryngii

Shen Yiyang1， 2， Fang Bing1， 2， Huang Junwei1， 2， Liu Yongqiang1， 2， Ye Dapeng1， 2， Xie Limin1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， 350100， China;

2. Fujian Key Laboratory of Agricultural Information Sensing Technology， Fuzhou， 350100， China）

Abstract： In view of the lack of physical characteristics of Pleurotus eryngii， the morphological characteristics of Pleurotus eryngii were determined and the mechanical properties were tested. The 3D model of Pleurotus eryngii was obtained by using 3D laser scanner. The model was analyzed and the parameters of morphological characteristics were obtained. The compression， shear and bending tests of Pleurotus eryngii were carried out with a texture meter， and the elastic modulus， compressive strength and shear strength of the head， middle and tail of Pleurotus eryngii， as well as the flexural strength and bending elastic modulus of the whole root were obtained under different loading speeds. The results showed that the morphology of Pleurotus eryngii was wide at both ends and narrow in the middle， and the coefficient of volume phenotypic variation was 38.06%， indicating that the morphological differences of different Pleurotus eryngii were significant. Under different loading speeds， the compressive strength and elastic model of the center of Pleurotus eryngii were higher than those of the head and tail， while the shear strength was between the head and tail， and the flexural strength and flexural elastic modulus were about 0.2 MPa and 0.069 MPa， respectively. The experimental results can provide theoretical guidance for Pleurotus eryngii to grasp the end effector.

Keywords： Pleurotus eryngii; three?dimensional reconstruction; morphological characteristics; mechanical property; phenotypic variation

收稿日期：2024年6月24日""""""" 修回日期：2024年8月5日

? 基金項目：福建省林業(yè)科學技術(shù)攻關(guān)項目（2023FKJ01）；福建省重大專項（2021NZ0101）；福建農(nóng)林大學交叉學科項目（XKJC—712021030）

第一作者：沈一陽，男，2000年生，福建漳州人，碩士研究生；研究方向為農(nóng)業(yè)機械自動化。E?mail： 1194670312@qq.com

通訊作者：謝立敏，女，1985年生，杭州人，博士，講師；研究方向為農(nóng)業(yè)機器人控制。E?mail： lucy_min@163.com

0 引言

杏鮑菇又名刺芹側(cè)耳，因具有杏仁的香味而得名，是中國七種常見的食用菌品種之一，年產(chǎn)量超過百萬噸，其營養(yǎng)價值極高，具有多種藥用功能以及各種生物活性成分。杏鮑菇采摘后需送往加工廠進行切腳、分揀、冷凍、包裝、抽真空等加工處理，其中分揀是生產(chǎn)過程的核心工序，主要形式為人工對杏鮑菇等級進行判斷，人工分揀不僅勞動強度高，而且受工人作業(yè)熟練度、文化水平等因素影響，極易導致分揀效率低下，杏鮑菇受損等情況，極大地限制農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]，因此，對于實現(xiàn)杏鮑菇無損分揀的需求十分迫切。

近年來，隨著材料技術(shù)的不斷進步，適用于嬌嫩菇類表面的柔性末端執(zhí)行器成為了一大研究方向。盧偉等[2]針對褐菇在自動化采摘過程中容易受損的問題，通過仿真靜力學分析以及遺傳算法設計了一款3指4指節(jié)的柔性手爪，減小了抓持力的同時增加了抓取的穩(wěn)定性。姬江濤等[3]根據(jù)雙孢菇的形態(tài)特性設計了一款基于顆粒阻塞原理的柔性仿形吸盤，該吸盤具有適應性強、抓持穩(wěn)定、損傷率低等優(yōu)點。上述兩個團隊均依靠抓取目標的物理特性參數(shù)設計末端執(zhí)行器，故探索和研究杏鮑菇形態(tài)及力學特性，為加快杏鮑菇分揀機械裝備的研發(fā)及降低杏鮑菇生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)機械損傷具有重要的現(xiàn)實意義[4]。

農(nóng)作物形態(tài)特征研究方面，肖奕同等[5]利用RGB相機采集大豆植株的多視角圖像，通過Agisoft Photoscan軟件重構(gòu)植株點云并獲取形態(tài)參數(shù)。對于農(nóng)作物力學特性研究，葉大鵬等[6]采用萬能材料試驗機對“綠洲一號”穴盤苗莖稈進行拉伸、壓縮、彎曲以及穴盤苗拔取脫盤試驗，得到其對應的力學特性曲線與參數(shù)，通過仿真分析得到仿真值與試驗值的偏差范圍。Zheng等[7]利用質(zhì)構(gòu)儀對4個成熟階段的番茄進行蠕變試驗與穿刺試驗，分析其成熟階段、變形值和蠕變參數(shù)之間的相關(guān)性以及番茄軸向與徑向之間的力學差異，向末端執(zhí)行器設計提供可靠的力學支撐。

目前大部分研究僅對農(nóng)作物的形態(tài)或力學其中一方面進行，且針對杏鮑菇的形態(tài)以及力學特性的研究較少。本文以成熟期的杏鮑菇為研究對象，開展形態(tài)及力學試驗，結(jié)合統(tǒng)計分析的方法確定杏鮑菇形態(tài)特征及力學特性，為減少杏鮑菇分揀損傷以及杏鮑菇分揀末端執(zhí)行器的設計提供理論指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及儀器

試驗材料選取福建省漳州市南靖縣試驗田同一批種植且無病害的子實體生長階段的杏鮑菇（菇房層架式栽培）。形態(tài)參數(shù)試驗中材料選取應遵循隨機抽樣原則，保證樣本具備代表性。力學試驗樣本制作前，先將若干個杏鮑菇樣本的菌蓋切下進行含水率測定，選取其中含水率接近的杏鮑菇樣本進行制樣[8，"9]。

試驗儀器選用：三維激光掃描儀（型號為MarvelScan，精度為0.02"mm）；質(zhì)構(gòu)儀（型號為Universal TA）；電子數(shù)顯游標卡尺（精度為0.01"mm）。

1.2 杏鮑菇形態(tài)參數(shù)試驗

1.2.1 杏鮑菇三維點云數(shù)據(jù)獲取

杏鮑菇整體近似為圓柱體，除菌蓋下沿以及菌褶部分存在光線遮擋外，其他部分均可見，故可采用三維掃描儀獲取其形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)并進一步開展三維模型構(gòu)建。采用海克斯康三維激光掃描儀對隨機選取的80根杏鮑菇進行三維點云數(shù)據(jù)獲取，掃描過程中利用支撐桿將杏鮑菇固定于平板上，手持掃描儀對杏鮑菇進行全方位掃描（圖1），旋轉(zhuǎn)一周約用時20"s，一根杏鮑菇需掃描四周用時約80"s，采用該方法可實現(xiàn)高通量的杏鮑菇三維點云數(shù)據(jù)采集[10]。

1.2.2 杏鮑菇三維點云數(shù)據(jù)處理

由于掃描過程為人工手持掃描儀進行掃描，所以掃描過程中容易出現(xiàn)誤掃與漏掃的情況，導致掃描出的杏鮑菇點云出現(xiàn)較為明顯的離群點與孔洞（圖2）。

首先，利用掃描儀自帶軟件先清除所得杏鮑菇點云數(shù)據(jù)中明顯的離群點；然后，將該數(shù)據(jù)導入到點云處理軟件CloudCompare中，利用軟件中的邊框P.C.A.擬合法對點云數(shù)據(jù)完成坐標校正，該操作過程：確定點云數(shù)據(jù)的主要方向并擬合邊框，從而提升邊框包圍點云數(shù)據(jù)的效果；最后，采用軟件中PoissonRecon算法插件對坐標校正后的杏鮑菇點云數(shù)據(jù)進行三維重建。

1.2.3 杏鮑菇模型參數(shù)獲取

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域常利用表型變異系數(shù)評價作物的形態(tài)多樣性，較低的表型變異系數(shù)說明該形態(tài)特征相對穩(wěn)定，在不同個體之間只有細微的差異，相反，當表型變異系數(shù)較高時，則表示該形態(tài)特征在不同個體之間差異顯著[11]。表型變異系數(shù)的計算如式（1）所示。

[CV=SD／MN] （1）

式中： CV——表型變異系數(shù)；

SD——標準差；

MN——平均值。

將三維重建后的模型導入Pycharm中測取80根杏鮑菇樣本的五個一維形態(tài)（縱徑L、菌蓋直徑D1、頭部直徑D2、中部直徑D3、尾部直徑D4），一個二維形態(tài)（表面積）和一個三維形態(tài)（體積），其中，菌蓋直徑及尾部直徑均取各自部位曲率最大處，頭部直徑取菌褶與菌柄的交匯處，一維形態(tài)物理指標如圖3所示。運用數(shù)理統(tǒng)計學的方法計算出6個形態(tài)參數(shù)的最小值、最大值、平均值、標準差以及表型變異系數(shù)，通過比較每個形態(tài)的表型變異系數(shù)，得出每個形態(tài)的形態(tài)穩(wěn)定性。

1.3 杏鮑菇力學特性試驗

1.3.1 杏鮑菇分揀過程受力分析

在整個杏鮑菇分揀過程中，杏鮑菇通過末端執(zhí)行器提供的作用力F（等效到杏鮑菇質(zhì)心）與壓力FN，克服自身重力G以及與末端執(zhí)行器接觸表面的摩擦力Fs（圖4），在空間內(nèi)形成了一個平面運動。杏鮑菇受到的作用力根據(jù)末端執(zhí)行器的種類不同而產(chǎn)生變化，探究杏鮑菇在壓縮、剪切及彎曲三種作用力下的力學特性。

1.3.2 杏鮑菇壓縮試驗

杏鮑菇不同部位的力學性能存在差異，故對其不同部位獨立進行力學性能試驗。利用水果刀切取杏鮑菇頭部、中部以及尾端25"mm正方體作為壓縮試驗樣本（圖5），分別編碼為A、B、C。

利用質(zhì)構(gòu)儀對杏鮑菇頭部、中部與尾部樣本分別進行徑向壓縮試驗。采用量程為500"N的力傳感器以及直徑100"mm平板壓頭，設置加載速率分別為30"mm/min、40"mm/min，通過試驗獲得加載載荷—位移曲線及最大壓縮力，按式（2）和式（3）分別計算其抗壓強度以及彈性模量，每種加載速度重復10次試驗，計算其平均值。

1.3.3 杏鮑菇剪切試驗

利用水果刀切除杏鮑菇菌褶以及菌蓋部分，將剩余部分平均分為頭部、中部以及尾部3個部分，測取剪切面面積并記錄。利用質(zhì)構(gòu)儀對杏鮑菇頭部、中部與尾部樣品分別進行徑向剪切試驗。采用量程為500"N的力傳感器以及剪切探頭，設置加載速率分別為30"mm/min、40"mm/min，通過試驗獲得的加載載荷—位移曲線及最大剪切力，按式（4）計算其剪切強度，每種加載速度重復10次試驗，計算其平均值。

1.3.4 杏鮑菇彎曲試驗

試驗樣本選取中部直徑在30～50"mm無明顯彎曲的整根杏鮑菇，并記錄彎曲截面直徑。利用質(zhì)構(gòu)儀對杏鮑菇樣本開展三點彎曲試驗，采用量程為200"N的力傳感器以及彎曲夾具，設定彎曲下夾具的跨距為55"mm，設置加載速率分別為30"mm/min、40"mm/min，通過試驗獲得的加載載荷—位移曲線以及最大彎曲力，按式（5）和式（6）分別計算其抗彎強度和彎曲彈性模量，每種加載速度重復10次試驗，計算其平均值。

式中： σ2——杏鮑菇抗彎強度，MPa；

E2——杏鮑菇彎曲彈性模量，MPa；

F3——最大彎曲力，N；

D——杏鮑菇彎曲前的截面直徑，mm；

Δh——最大彎曲位移，mm；

y——彎曲下夾具跨距，mm。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 形態(tài)特征試驗分析

杏鮑菇形態(tài)特征分析結(jié)果（表1）表明：通常情況下，杏鮑菇縱徑分布在12.40～19.43"cm，菌蓋直徑分布在2.65～6.39"cm，頭部直徑最小，分布在1.90～6.11"cm，中部直徑分布在2.06～6.24"cm，尾部直徑最大，分布在3.24～6.94"cm，表面積分布在127.97～445.88"cm2，體積分布90.03～686.54"cm3。

通過對比杏鮑菇三維重建模型（圖6）可以看出，單根杏鮑菇不同部位之間以及不同杏鮑菇之間的形態(tài)特征存在較為明顯的差異。杏鮑菇形態(tài)特征變異系數(shù)分析結(jié)果表明：不同杏鮑菇之間三維形態(tài)（體積）差異極為顯著，表型變異系數(shù)高達38.06%；二維形態(tài)（表面積）次之，表型變異系數(shù)為25.10%；一維形態(tài)差異較小，其中縱徑的表型變異系數(shù)最小，為10.87%，菌蓋直徑、頭部直徑、中部直徑、尾部直徑的表型變異系數(shù)分別為20.41%、22.21%、22.43%、16.84%。

2.2 杏鮑菇壓縮力學試驗分析

將杏鮑菇頭部、中部以及尾部的25"mm正方體作為壓縮試樣，采用30"mm/min以及40"mm/min兩種加載速度進行杏鮑菇的壓縮試驗，得到其壓縮特性曲線如圖7所示，并對其進行數(shù)據(jù)處理，見表2。

由圖7可知，曲線分為彈性階段AB段與壓緊階段BC段，沒有明顯的屈服極限。壓盤與杏鮑菇為面接觸，壓縮開始曲線AB段之中，杏鮑菇的抗壓力與壓縮位移存在線性關(guān)系（R2gt;0.999），故該段也為線彈性階段，該階段壓縮壓力卸載后，杏鮑菇仍然可恢復原狀；當壓縮位移增加到B點后，抗壓力隨著壓縮位移增加而急劇增大，當壓縮位移繼續(xù)增大，杏鮑菇被逐步壓緊，故B點為杏鮑菇的最大破碎點，其對應的抗壓力為杏鮑菇的最大壓縮力。

由表2可知，在兩種加載速度下，杏鮑菇中部的抗壓強度以及彈性模量均高于頭部與尾部。當加載速度為30"mm/min時，杏鮑菇中部的抗壓強度與彈性模量最大，分別為0.074"MPa、0.173"MPa；當加載速度為40"mm/min時，杏鮑菇尾部的抗壓強度與彈性模量最小，分別為0.049"MPa、0.114"MPa。抓取末端執(zhí)行器作用段應選擇中部，該段擁有較大的抗壓力學性能。同時，不同杏鮑菇之間抗壓強度與彈性模量差異極大，變異系數(shù)均高于20%，所測得的杏鮑菇最大抗壓強度與彈性模量為0.095"MPa、0.226"MPa，最小抗壓強度與彈性模量僅0.029"MPa、0.065"MPa。

2.3 剪切力學試驗分析

將杏鮑菇分為頭部、中部及尾部作為剪切試樣，采用30"mm/min以及40"mm/min兩種加載速度進行杏鮑菇的剪切試驗，得到其剪切特性曲線如圖8所示，并對其進行數(shù)據(jù)處理，見表3。

由圖9可知，在剪切初始階段AB段，刀具切入杏鮑菇樣本，載荷驟增，曲線迅速上升；隨著切入位移的增加，受力趨于穩(wěn)定，曲線BC段近似為線性；C點開始切入面積驟增，曲線CD段呈快速上升趨勢，受力增加;當位移增加到D點時，杏鮑菇被切斷，此時D點所對應的載荷即為最大剪切力；切斷后，正在發(fā)生彈性回彈的杏鮑菇樣本與刀具存在摩擦，導致曲線DE段存在波動。由于杏鮑菇是一種均勻少孔材料，切斷前曲線AD段，受力面積以及受力的變化都較為穩(wěn)定均衡，故曲線呈平滑上升趨勢，無明顯波動。

由表3可知，在兩種加載速度下，杏鮑菇尾部的剪切強度高于頭部與中部。當加載速度為30"mm/min時，杏鮑菇頭部的平均剪切強度為0.020"MPa，中部的平均剪切強度為0.036"MPa，尾部的平均剪切強度為0.051"MPa；當加載速度為40"mm/min時，杏鮑菇頭部的平均剪切強度為0.019"MPa，中部的平均剪切強度為0.026"MPa，尾部的平均剪切強度為0.038"MPa，不同杏鮑菇之間的剪切強度差異也較為顯著，變異系數(shù)均大于12%，所測得的最大剪切強度達到0.06"MPa，最小的剪切強度僅0.014"MPa。

2.4 彎曲力學試驗分析

將整根杏鮑菇作為彎曲試樣，采用30"mm/min以及40"mm/min兩種加載速度進行杏鮑菇的三點彎曲試驗，得到其彎曲特性曲線如圖10所示，并對其進行數(shù)據(jù)處理，見表4。

由圖10可知，該彎曲特性曲線分為3個階段：第一階段AB段，該段為彈性變形階段，彎曲位移隨彎曲載荷呈線性關(guān)系逐漸增加，該段擬合曲線為y=2.875"53x，相關(guān)性系數(shù)[R2gt;0.999]；曲線到B點后，由于載荷過大，杏鮑菇內(nèi)部受到一定程度的破壞，彈性回彈能力變差，導致第二階段曲線BC上升速度逐漸變緩；當載荷增大到C點，杏鮑菇發(fā)生最大彎曲破裂，該點對應的載荷與位移分別為最大彎曲力及最大彎曲位移；由于杏鮑菇非脆性材料，無法一次性斷開，最大彎曲截面仍未斷裂完全，導致第三階段曲線CD出現(xiàn)多個波峰。

由表4可知，在兩種加載速度下，杏鮑菇的平均抗彎強度以及平均彎曲彈性模量差異不大，分別約為0.2"MPa、0.069"MPa。然而，不同杏鮑菇之間的抗彎特性存在較明顯的差別，所測得的最小抗彎強度與最大抗彎強度分別為0.251"MPa、0.147"MPa，最小彎曲彈性模量與最大彎曲彈性模量分別為0.043"MPa、0.110"MPa，兩項參數(shù)的變異系數(shù)均高于20%。

3 結(jié)論

1）"在形態(tài)特征測定試驗中，經(jīng)統(tǒng)計杏鮑菇的尾部平均直徑最大，頭部平均直徑最小，一維特征的變異系數(shù)小于二維與三維特征，其中，三維特征（體積）變異系數(shù)最大（38.06%），說明杏鮑菇之間的形態(tài)差異較為明顯，后續(xù)設計末端執(zhí)行器需要考慮兼容性。相比于傳統(tǒng)人工直接測量法，利用三維激光掃描法提高測量的效率與準確性，且獲取的杏鮑菇模型也可以運用到后續(xù)的仿真分析中。

2）"在壓縮試驗中，在兩種加載速度下，杏鮑菇中部的壓縮力學性能均高于頭部與尾部。當加載速度為30"mm/min時，杏鮑菇中部的抗壓強度平均值為0.074"MPa，彈性模量平均值為0.173"MPa；當加載速度為40"mm/min時，杏鮑菇中部的抗壓強度平均值為0.063"MPa，彈性模量平均值為0.156"MPa，抓取末端執(zhí)行器抓取時，應優(yōu)先選擇中部進行抓取。

3）"在剪切試驗中，在兩種加載速度下，杏鮑菇尾部的剪切強度均高于頭部與中部。當加載速度為30"mm/min時，尾部的平均剪切強度為0.051"MPa；當加載速度為40"mm/min時，尾部的平均剪切強度為0.038"MPa，不同杏鮑菇之間的剪切強度差異也較為顯著。

4）"在彎曲試驗中，在兩種加載速度下，杏鮑菇的平均抗彎強度以及平均彎曲彈性模量差異不大，分別約為0.2"MPa、0.069"MPa，不同杏鮑菇之間的抗彎特性存在較明顯的差別，抗彎強度與彎曲彈性模量的變異系數(shù)均高于20%。

參"考"文"獻

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