植物工廠水培葉菜生產全程機械化研究進展

李宗耕 楊其長 沙德劍 馬 偉

(中國農業(yè)科學院 都市農業(yè)研究所，成都 610299)

植物工廠是在密閉或者半密閉條件下通過高精度的環(huán)境控制，實現作物在垂直立體空間上周年計劃生產的高效農業(yè)系統(tǒng)，因其技術高度密集，被公認為是設施農業(yè)的最高發(fā)展階段，成為衡量一個國家農業(yè)技術水平高低的重要標志。植物工廠的種植方式主要以水培為主，即將作物直接種植在營養(yǎng)液中。水培是一種新型的無土栽培方式，通過種植杯(籃)和栽培板等使植物根系生長于營養(yǎng)液中。與土壤栽培相比，水培的養(yǎng)分供應更加迅速、均衡和充足，有利于植物吸收，并可根據營養(yǎng)液中的養(yǎng)分消耗，及時地補充相應營養(yǎng)元素，被廣泛地應用于蔬菜生產，特別是葉類蔬菜。水培葉菜的生長速度是土壤種植的2倍以上，單位土地利用效率是土壤種植的幾十倍甚至上百倍，因此水培葉菜技術將是我國農業(yè)4.0時代的重要組成部分與呈現形式。

我國是世界第一大蔬菜生產國和消費國，2018年全國蔬菜種植面積突破2 000萬km，產量達7億t以上；其中葉菜類種植面積占比高達30%以上，約占總產量的1/3。葉類蔬菜強有力地支撐了“菜籃子”工程，是人們日常生活中必不可少的一部分。而水培葉菜可以根據其種植的品種和生長階段來調控營養(yǎng)含量，實現養(yǎng)分的精準供給，從而確保蔬菜的品質與口感，兼具環(huán)保無污染等優(yōu)點，更符合當下人們對于有機、綠色、安全的食品訴求，并已得到大面積的推廣應用。目前國內京東、喜萃和中科三安等公司都建立了水培葉菜工廠，為市場提供新鮮安全的蔬菜。

水培葉菜生產工藝流程清晰有序，分工明確，生產全流程主要包括播種、育苗、定植和收獲等步驟，而目前國內所有的水培葉菜工廠均無法實現全程高效地機械化和自動化生產，僅在播種環(huán)節(jié)有一定的機械應用，其他環(huán)節(jié)配套的機械裝備多處在研發(fā)試驗階段。而大型化、多層化葉菜工廠的建立以及用工成本等因素促使產業(yè)升級改造，傳統(tǒng)的人工生產方式將逐步被取代，機械化、自動化、現代化的葉菜工廠更符合社會和企業(yè)發(fā)展需求，水培葉菜工廠的全程機械化將是實現葉類蔬菜高效工廠化生產的唯一途徑。

1 水培葉菜播種機械研究現狀

隨著大型水培葉菜工廠的建立，傳統(tǒng)的人工手播已無法滿足葉菜工廠的生產需求，播種機的應用顯得尤為重要。當前水培葉菜主要有2種不同的播種方式，一種是將種子直接播到育苗海綿中；另一種則是播到育苗基質中，這需要借助育苗杯、定植籃或穴盤來完成。目前，國內鮮有海綿播種機的研究報道，大多數研究主要集中在第二種播種方式上，也就是穴盤播種。

我國自動化穴盤播種技術起步較晚，20世紀80年代在引進國外穴盤播種生產線的基礎上進行吸收改造設計，開發(fā)了ZXB-360和ZXB-400精量播種機，實現了穴盤的自動化播種?！鞍宋濉逼陂g，蘇海泉研制了ZKB-400穴盤播種機，播種效率可達360盤/h，播種合格率在96%以上，但該播種機只適用于中等大小的丸?；N子。1997年，農業(yè)農村部南京農機化研究所研制了一種氣吸式穴盤精量播種機2QB-330，該機器能夠滿足每穴1～2粒的播種需求，通過更換吸種板，可實現不同類型蔬菜種子的精量播種，但該機械的播種合格率低，僅為90%左右。趙立新等研制的針式精量播種機BZ-200，采用負壓針式吸種，可實現每穴1～5粒的自動化播種，并可通過更換吸種針頭實現不同類型蔬菜的播種，播種合格率在95%左右。廣州綠翔機電公司研發(fā)的2BS-6氣力式滾筒穴盤播種機，能夠實現對0.7～2.0 mm小粒種子每穴1粒的精量播種，播種合格率在95%以上，生產效率可達600盤/h。胡建平等設計了一種磁吸式精密播種機，播種前先用磁粉對種子進行包衣處理，依靠電磁吸頭實現對種子地吸取，并可通過調節(jié)磁力大小來控制播種量和播種精度，對小白菜種子的單粒播種率可達90%，播種效率為300盤/h。為實現小粒徑蔬菜種子穴盤精量播種，楊昌敏等研發(fā)了一種滾筒氣吸式精量播種機，對于128孔的穴盤，播種效率可達840盤/h，單粒合格率為94%左右，能夠滿足自動化穴盤精量播種的需求。隨著市場的發(fā)展，國內出現了一批園藝裝備企業(yè)，其中以杭州賽得林、鶴壁創(chuàng)祺、上海矢崎和浙江博仁工貿的播種機械較有代表性。但這些企業(yè)仍處于發(fā)展階段，缺乏龍頭企業(yè)引領，播種機械的普及與應用度不高，僅在大型連棟溫室生產中有所應用。

國外對穴盤播種機的研究較早，技術相對成熟，自動化程度高，播種效率高。經過多年的發(fā)展，國外的播種機械商業(yè)化應用已經十分成熟，例如美國的Blackmore和Seederman、英國的Hamilton、意大利的Mosa、荷蘭的Visser和韓國的Helper等公司的產品較為知名。Blackmore公司開發(fā)的Stretch PLC滾筒播種機，可通過切換不同的滾筒和吸種口，實現多種蔬菜種子的播種，能在5 min內完成滾筒切換，5 s內實現吸種口切換，切換效率高，播種效率高達1 200盤/h。美國Seederman公司專為小型溫室開發(fā)了GS系列針式播種機，其中GS1式半自動播種機，播種效率可達到120盤/h(288穴/h)，該播種機不需要消耗電能，工作部件均由壓縮空氣來驅動；GS2和GS3(圖1)為全自動針式播種機，與GS1相比效率更高，工作性能更穩(wěn)定，播種效率為180盤/h(288穴)。英國的Hamilton公司研發(fā)的HNS3型氣吸滾筒式播種機，能夠適用于市面上大多數的穴盤和蔬菜種子，通過安裝在播種機上的雙重滾筒和每個滾筒上2種不同吸嘴，可同時對2種不同的穴盤實現單行、雙行或者多行播種，播種效率為700盤/h。意大利Mosa公司的Line系列播種生產線具有極強競爭力，在系統(tǒng)中配備了公司獨有的模塊化系統(tǒng)，其中Line1400(圖2)能夠通過電子系統(tǒng)來控制全部的工作部件，播種效率高，可達1 400盤/h。圖3是荷蘭Visser公司開發(fā)的一種機器人播種機，主要用于小批量種子的播種，其能通過自身軟件編程來確定不同穴盤的播種位置，并可以將不同種類的蔬菜種子同時播種到一個穴盤中。韓國Helper公司開發(fā)的SD系列播種機，能將各類型種子播種到不同穴盤中，并可根據種子大小和類型改變噴嘴大小，其中SD-900 W型播種機播種效率可達400盤/h(128穴/h)。

圖1 GS3型全自動針式播種機Fig.1 GS3 automatic needle seeder

圖2 Line1400型播種機生產線Fig.2 Line1400 seeder production line

圖3 機器人播種機Fig.3 Robot seeder

為了實現對不同類型種子的精密播種，國內外對播種機的核心部件排種器進行了大量的研究。國外研究者通過采用響應面法、神經網絡和高速攝像等對排種器進行了結構設計優(yōu)化，以實現吸種針孔的自動收縮與擴大，從而解決不同粒徑種子的通用性難題。同時，國外研究人員也將智能化和信息化技術應用到播種機的研發(fā)中，為實現更加高效、精密的播種提供了可靠的技術，便于播種機的管理、維護和信息共享。國內對播種機的關鍵部件也開展了創(chuàng)新性研究，對排種器吸、排種子的過程建立力學模型，分析影響吸、排性能的因素，同時也對蔬菜種子的粒徑等物理特性和播種機的控制系統(tǒng)展開了研究，通過遙控控制和激光導航等自動控制方式，實現播種機的智能控制。

2 水培葉菜移栽定植機械研究現狀

隨著時間的推移，穴盤中種苗逐漸長大，因此需要將種苗移栽到間距更大的栽培板上。生產中的移植作業(yè)基本以人工為主，勞動強度大、效率低。

國外早期移栽機械是通過在成熟的工業(yè)機器人搭載末端執(zhí)行器來進行移栽作業(yè)。1987年，Kutz等在溫室里借助Puma56機器人實現了對苗床植物的移栽作業(yè)，并通過計算機仿真，確定了機器人移動的“L”型最佳路徑，取苗成功率在96%左右。而后，Ting等提出了一種慢加速脫盤和快加速提取的取苗方式，并設計了一種滑針式取苗末端執(zhí)行器，執(zhí)行器通過上下垂直移動靠近穴盤幼苗，執(zhí)行器上的夾取針斜插入基質，而后在機械臂的帶動下將穴盤苗取出，當末端執(zhí)行器的加速度固定在526 mm/s時，取苗的成功率為95.4%。2002年，Choi等設計了一種取苗機械手，該裝置以五連桿機構為主，采用指針夾取方式取苗，種苗的拾取速度能夠達到1 800 株/h，這標志著國外對于移栽機末端執(zhí)行器的研究已經十分成熟。此外，Tai等在溫室種苗移栽機中植入了視覺檢測系統(tǒng)，能夠自動識別穴盤內幼苗的位置并判斷其健康狀況，將識別的結果轉化成計算機語言，反饋給移栽機器人輔助其完成移栽工作，從而實現智能化的移栽。隨著技術的發(fā)展進步和大量資金的投入，國外的移栽機器獲得了較好的發(fā)展，并實現了商業(yè)化的應用，其中以荷蘭Visser Horti Systems公司的Pic-O-Mat系列和意大利Urbinati公司的RW系列最為著名。Visser公司的Pic-O-Mat GR-2700型移栽機(圖4)采用了高分辨率位置反饋和伺服控制系統(tǒng)，擁有24個獨立的伺服控制抓爪，并配備了伺服驅動的夾持器能夠保證高速精確的移動與夾持；而且內部自帶多種移植組合程序，可通過觸摸屏現場編程實現不同作物的移植組合，工作效率可達45 000株/h。Urbinati公司的RW64(圖5)無線移栽機配備了72個夾持器，采用無線電機驅動，并帶有22 cm (8.4英寸)彩色觸摸屏，可現場進行編程與自診斷，減少維護，無線獨立電動抓爪具有更好的靈活性，能夠實現單排或雙排移植，移植效率為50 000株/h。

圖4 Pic-O-Mat GR-2700型移栽機Fig.4 Pic-O-Mat GR-2700 transplanter

圖5 RW64型無線移栽機Fig.5 RW64 wireless transplanter

國內有關移栽機械的研究始于20世紀90年代，孫廷琮等率先對穴盤移栽機構進行了研究。2005年，孫剛等設計了一種龍門式生菜移栽機，采用氣動驅動移苗爪，運用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的16位控制器作為核心控制系統(tǒng)，但該移栽機的移苗機構和移苗手不夠完善，各機構穩(wěn)定性不足；而后強麗慧等對該機械進行了優(yōu)化設計，首次采用了傾斜插縮-垂直取放的移苗方式，改用PLC的自動移苗控制系統(tǒng)，并在機械上添加了光電傳感器對穴盤進行定位，改進后的機械穩(wěn)定性得到改善，移植效率可達人工移植的3倍左右，但該機械只能適用于深液流的浮板栽培，通用性差，無法實現智能化，未能得到推廣應用。2007年張詩等通過ADAMS對移栽機械手進行了運動學仿真研究，確定了最優(yōu)的運動速度，為移苗機械手的試制提供了理論支撐。隨著技術的發(fā)展，研究人員將視覺技術應用到了移栽機及其性能優(yōu)化上面。浙江大學的蔣煥煜等通過移栽機上的視覺技術對種苗進行圖像識別與定位，判別種苗的健康狀況是否適合移植，并根據番茄幼苗的特性，設計了鏟式抓取手指，抓取成功率在82%左右，但是該種方式會造成一定程度的根坨損傷。賀磊盈等通過機器視覺來規(guī)劃末端執(zhí)行器的路徑，解決了移栽機作業(yè)過程中的葉片重疊問題，提高了工作效率。張麗華等設計了一種新型氣動移栽機，通過伺服電機、滑軌和鏈傳動的方式實現取苗爪的水平與垂直運動，移栽機一次能夠移植4棵幼苗，整體移植效率可達2 000株/h，較人工移植效率提高了1倍左右。馮青春等研發(fā)了一種花卉穴盤移栽機，用于盆栽幼苗的移栽作業(yè)，該移栽機利用視覺識別技術完成種苗的定位與剔除，并通過由彈簧驅動的柔性可調夾持手爪，實現對種苗的夾取，實驗結果表明，當移栽效率控制在800株/h以下時，視覺系統(tǒng)的識別準確率可達87%，夾持手爪可進行可靠性操作。為了解決一對一取放苗效率低的問題，嚴宵月等設計了一種整排間隔放苗的自動移栽機械，該移栽機是在PVHR2型旋轉托杯式半自動移栽機的基礎上升級而來，通過末端執(zhí)行器的上升、下降和正反旋轉90°等動作，可以實現一次性取放6棵種苗，在72孔的穴盤苗試驗中，拾取效率可達3 600株/h，成功率在95%以上。劉霓紅等設計了一種管道式水培葉菜移栽機(圖6)，該移栽機主要由供盤帶、苗盤推送機構、苗盤輸送機構、取苗機構、種植管輸送機構以及控制系統(tǒng)組成，一次可以移栽6棵種苗，移植效率為1 200株/h，移植成功率為90%。

總的來看，國內對于移栽機械的研究和應用上取得了較大的進步，但是對于水培葉菜移栽機械的大多數研究還是停留在樣機或者試驗探索階段，再加上設備巨大，價格高昂等原因，并沒有做到商業(yè)化的應用和推廣。在移栽機械研發(fā)方面，可借鑒國外先進的設計經驗，整合水培葉菜生產中的配套物料，形成統(tǒng)一標準，便于機械化操作；給移栽機械手賦能，在提高其科技水平的同時兼顧輕便實用化研究，降低成本。

圖6 管道式栽培移植機Fig.6 Pipe cultivation transplanter

3 水培葉菜搬運與收獲機械研究現狀

水培與傳統(tǒng)土壤栽培的農藝特點、采收要求不同，其收獲裝置形式與收獲的方式等也不相同。在收獲機械上，以日本和歐美等發(fā)達國家的研究起步較早，日本三菱重工的自動化植物工廠實現了從播種到收獲的全自動化生產，能夠節(jié)省91%的勞動力，但成本過于高昂，無法實現推廣。在設施水培生菜的采收上，日本鹿兒島大學采用了往復式切割去根采收，但采收后生菜菜葉雜亂無序，并容易造成蔬菜水分和營養(yǎng)物質的流失，也尚未應用于生產。Hachiya等設計了一種水培菠菜自動采收機器，先由搬運設備將栽有成熟菠菜的栽培板搬運至傳送帶上，經機械裝置一端的切根裝置切掉根部，而后經傳送帶將栽培板送至裝置的另一端，并在此處將整個栽培板倒置，依靠重力將菠菜與定植杯分離開，掉落至下一級的傳送帶上，完成菠菜的收獲，整個收獲裝置主要依靠傳送帶完成，自動化程度偏低。2001年，日本北海道植物工廠研發(fā)了一款搬運采收機器人(圖7)，該機器人位于栽培架的上方，通過事先設計好的軌道在空間內按照既定的軌跡移動，并根據控制指令達到指定的位置，在作業(yè)時，機器人將栽培板抬起運輸到指定位置，而后完成切根收獲等動作。Cho等研發(fā)了一種3個自由度生菜采收機器人，利用機器視覺觀測生菜生長狀況，判斷是否采摘，并通過模糊控制調整夾持生菜的力度，采摘后再對生菜進行切割、輸送。

圖7 自動采收與搬運機械Fig.7 Automatic harvesting and transportation machinery

國內在水培葉菜和植物工廠蔬菜收獲機械方面也進行了大量研究。權哲龍等設計了一種搬運機器人，沿著栽培過道間鋪設的導軌行走，采用滑切式搬運栽培板，這種方式雖然移動比較方便，但是定位比較困難。周增產等在北京通州一植物工廠內設計了一款自動收獲機器人(圖8)來代替人工作業(yè)，該機器通過編碼器實現定位，利用PLC主從網絡完成控制；采用氣動裝置將栽培板托起并搬運到指定位置；定位方式靈活，但只能用于單層栽培，在多層立體栽培中無法應用。上海交通大學張樣平等設計了一種葉菜軌道式栽培系統(tǒng)，種植盤能夠在種植軌道上移動，通過分段栽培，當把位于種植端的幼苗種植盤通過機械臂推送到栽培床上時，位于栽培床回液端的成品菜同時會被推出栽培床，進入到下菜流水線，再經流水線運到出菜區(qū)，從而完成葉菜的自動搬運，但這種方式也僅適用于單層栽培。江蘇大學的毛罕平等在栽培板上安裝鋁環(huán)，并通過分級抬升和分級伸縮的形式，將翻叉套進鋁環(huán)內完成對栽培板的抬升與收取，進而實現多層植物工廠的蔬菜收獲，但這種方式的效率較低，也無法適用于大型植物工廠。針對植物工廠多層栽培的搬運難題，周亞波等設計了一種自動搬運裝置，將動靜兩種軌道吊裝在栽培架上方，動軌的運動方向與靜軌上機械手的運動方向垂直，從而實現機械手前后左右的移動，并通過剪叉升降機來控制機械手的上下運動，整個裝置通過PCL控制器進行控制，PCL通過實時采集位移傳感器的脈沖信息進行坐標定位，配合栽培板上的吊環(huán)，實現機械手對栽培板的抬放搬運，但這種方式在高層和超高層植物工廠中無法應用。

圖8 北京通州植物工廠收獲機器人Fig.8 Harvesting robot in Tongzhou of Beijing plant factory

目前，雖然國內外對水培葉菜搬運收獲機械的研究取得了一定的進展，但基本處于試驗探索階段，尚未做到商業(yè)化應用。要獲得實際的生產應用，還需要在機械的精確定位、快速反應和穩(wěn)定運行上進行深入的研究，實現機械的“快”、“準”、“穩(wěn)”。并在實現單層水培葉菜生產應用的基礎上，逐漸向垂直立體空間上延伸，突破多層或超高層立體垂直水培葉菜植物工廠搬運與采收的難題。

4 存在問題及思考

目前，我國針對水培葉菜生產的機械設備較為缺乏，僅在播種環(huán)節(jié)能夠實現自動或半自動播種，并且與發(fā)達國家相比具有較大的差距。水培機械發(fā)展緩慢，無法滿足實際生產的需求，亟需突破高效輕簡化水培機械裝備的研發(fā)與應用。雖然近些年來隨著水培葉菜的發(fā)展，機械裝備得到了一定的改善，但總體上還存在以下問題：

1)機械專用性不高。水培葉菜的很多機械裝備都是從大田農機裝備引用或者改裝而來，與水培葉菜的農藝要求匹配度較差，農機的適用性不高。這與研究人員對水培葉菜生產工藝與流程不熟悉有關，同時缺乏對水培葉菜生產各環(huán)節(jié)所涉及到的機械動作的機理研究，應做到設備研發(fā)與農藝操作相結合，提高機械的實用性。

2)水培葉菜生產配套裝備發(fā)展不完善。生產中的基質塊、海綿和定植杯等各類生產物料沒有統(tǒng)一規(guī)格，圍繞水培葉菜生產的上下游裝備各產業(yè)鏈彼此獨立，沒有形成標準，限制了全程機械化的應用。

3)機械設備價格高昂、效率低、適用性差。水培葉菜生產中的機械設備價格貴，維護成本高，適用的蔬菜種類和生產環(huán)境單一，機械操作動作緩慢，效率低，成熟的商品化機械缺乏，過于依賴進口，忽略了國內生產環(huán)境。

4)自主創(chuàng)新不足。關鍵機械設備缺乏自主創(chuàng)新，研究設計以經驗為主，盲目模仿國外機械，沒有重視實際應用需求。

5 發(fā)展趨勢

隨著植物工廠等高新農業(yè)技術的發(fā)展，水培葉菜生產逐漸向標準化、模塊化栽培的方向發(fā)展，輔之以AI、物聯網和大數據等技術的支撐，水培種植技術將迎來全新的升級。

大型水培葉菜工廠勢必朝著機械化、智能化和數據化的方向發(fā)展，例如中國農業(yè)科學院都市農業(yè)研究所研發(fā)的20層全自動無人化植物工廠；而對應的機械也將朝著智能化、信息化的方向發(fā)展，通過各流程機械設備的互聯，實現各工序的高效自動化生產，并依靠人工智能等技術完成復雜的識別和多任務調度，從而實現種子到蔬菜的無人化生產。然而，對于小型水培葉菜工廠，如日本家庭型植物工廠，生產面積相對較小，投資小，則機械的發(fā)展應該更加注重實用性，在適于生產空間的基礎上，要兼顧輕便、靈活，實現機械化或者半機械化生產，釋放勞動力，降低勞動強度。

目前，我國簡易水培葉菜生產占有較高市場比重，要求機械設備要與生產環(huán)境相匹配，控制成本，以實用、適用為主；隨著國家的支持和企業(yè)投入，以植物工廠為代表的大規(guī)?，F代化的水培葉菜工廠在全國各地逐漸興起，則需要全流程智能化、自動化的機械設備，替代傳統(tǒng)人工操作，形成無人化智能水培葉菜工廠。以上兩點說明我國水培葉菜機械設備要朝著智能化和輕簡化并行的方向發(fā)展，從而全面提高水培葉菜工廠的機械化水平。