非接触式超声波授粉装置开发

李明

超过95%的日本农户仅在每年的5～12月生产草莓。尽管目前可实现草莓的周年生产，但由于塑料温室的温度管理比较困难，草莓产量较低。另外，周年生产草莓中夏季和冬季的温度控制，无毒种苗和农药的购买等也会给农户带来一定的负担。人工光植物工厂可避免室外环境变化的影响，使室内环境终年保持在最佳水平，进而可实现草莓的周年生产。若使用种子繁育草莓，则可进一步实现农药零使用，提高草莓的安全生产水平。随着近年来草莓市场的发展，草莓成为一种较普通叶菜更有附加值的农作物，使用人工光植物工厂生产草莓也获得了越来越多的关注。但荧光灯、LED等人工光植物工厂内的人工光源仅包含植物生长所必须的光，缺少与蜜蜂授粉活动相关的紫外线。紫外线是蜜蜂的导航光波，缺乏紫外线会造成蜜蜂采蜜的活跃性降低，使得蜜蜂授粉效率低下。由于目前还没有草莓专用的人工授粉激素，多使用毛刷等物理方法进行人工授粉，授粉效率不高。为解决该问题，该研究开发了一种超声波授粉装置，来实现植物工厂内草莓的高效人工授粉。

当有物体阻挡超声波时，与超声波传播方向相对应的物体表面就会产生压力。超声波可由超声波换能器产生。但是单个超声波换能器所产生的声波辐射压强较小。因此，需要将几百个超声波换能器组合在一起，构成相控阵，通过合理控制每个换能器的相位，将所有换能器产生的超声波聚焦于空间上的某一点，即可产生数十毫牛的力。通过管理每个换能器的相位，则可以转换超声波相控阵的作用位置。该研究所开放装置的相控阵的长度为17 cm，包含285个换能器，可产生40 kHz的超声波频率，在空间所产生的最大压力为16 mN。压力的大小可通过脉冲调节装置调节。

根据测试研究，发现草莓花朵的典型震动频率为30 Hz。该研究将超声波相控阵的声波频率调整为30 Hz，并进行了试验。整个试验在人工光植物工厂内进行，所使用的光源为荧光灯。使用草莓种子育苗，育苗时间为50天。定植后35天开始授粉。试验组使用非接触式超声波授粉装置授粉，对照组使用震动授粉器授粉。在定植后55天开始收获果实，共持续20天。试验结果发现，对照组和试验组的花芽数和花蕾数无显著差异。与对照组相比，试验组的坐果率为59%，除去重量不足或尺寸较小的果实后，该处理的收获率可达到89%；而对照组的坐果率为73%，但是收获率仅为35%。此外，试验组草莓果实总重量是对照组的2倍，但是两种处理的单颗草莓果实重量没有显著差异。

综合以上分析结果，新开发的非接触式超声波授粉装置相较传统授粉方法对草莓生产更有利。在植物工厂内有较为广阔的应用前景。

（摘译自：Hiroshi SHIMIZU， Takayuki HOSHI， Nakamura Kenji， et al. Development of a non-contact ultrasonic pollination device [J]. Environmental Control in Biology， 2015， 53（2）： 85-88.）