种子微创取样关键技术与装备研究进展

周鸣川 刘传杰 郭祥雨 舒庆尧 蒋焕煜,4 应义斌,4

(1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院, 杭州 310058; 2.浙江大学山东(临沂)现代农业研究院, 临沂 276000;3.浙江大学农业与生物技术学院, 杭州 310058; 4.浙江省农业智能装备与机器人重点实验室, 杭州 310058)

0 引言

随着社会和经济的发展,我国对于农作物产品的需求快速增加,但是农作物产量无法跟上快速增长的需求,导致部分农作物缺口逐年加大,对国外进口依赖度持续攀升[1]。从2017年到2021年,我国玉米进口依赖度从1.29%提升到9.42%,小麦进口依赖度从0.34%骤升至6.67%[2-4],大豆进口依赖度常年80%以上[5]。如何提升农作物产量,降低粮食进口依赖成为农业面临的严峻挑战。

种子被誉为农业的“芯片”,其中蕴含着植株性状信息,是提升农作物产量,破解我国农业发展面临的资源短缺和环境约束的关键[6]。在分子生物学迅速发展的大背景下,育种已经从经验和大田实验统计为主的传统育种时代转向更为精准化、高效化、智能化的设计生物育种时代[7-8]。基因样本提取作为设计生物育种的核心环节,其取样效率与质量会对后续基因检测、幼苗培育环节产生直接影响。传统种子样本提取主要依赖人工操作,存在取样强度大、切割一致性差等缺陷,制约了采样品质的进一步提高[9]。种子切片装备是借助机器视觉、机器人等技术,将混沌的种子群经过种子分离、识别、运输、取样和样品存放工序依次实现样本精准采样、有序存放的全流程自动化操作,相较传统人工操作在效率和精度上都有显著提升。因此,着力开发快速、方便、精准的种子切片装备,实现在育种取样中对种子遗传信息的快速获取,是促进育种行业高质量发展的重要保障。当前,孟山都科技公司(Monsanto Technology LLC)、先锋高级育种公司(Pioneer Hi-Bred International,Inc.)等育种企业已研发出The Mega Chipper等规模化应用的种子切片机[10-11],并基于此建立了完善的育种基因检测生产线,达到了降低育种成本与缩短周期的目标[12-13],提升了其商业竞争力。国内对于种子切片装备的自主研发起步较晚、技术积累少,与国外相比技术上仍存在差距。

本文首先介绍国内外育种切片技术的历史背景和装备发展现状,进而对种子分离、位姿调整、夹持输送、取样、样品收集及清洁等技术方案的基本概况及存在问题进行阐述,最后结合种子切片装备研发的困难和挑战,提出展望和建议。

1 种子切片检测发展历程

19世纪以来,随着对遗传学认知的深入,生命科学与生物技术的飞速发展,作物性状与遗传物质的内在联系逐渐显现,分子生物育种技术迅速发展和成熟[14-15]。蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics)、高通量测序技术(next-generation sequencing technology)、转录组学(transcriptomics)等一系列底层技术的研发,为分子层面育种提供了技术上的支持[16];农作物遗传图谱的陆续绘制,为基因性状的筛选提供了理论参考[17]。因此,基于低成本高通量测序的分子育种技术已逐步成为当今最有效的育种途径之一[18-19],推动育种向精准化、高效化、智能化方向发展。

分子育种的测序环节通常需要将待测定的种子萌发并培养至幼苗阶段,对幼苗叶片的特定区域采集样品,随后送入实验室进行相关的提取和分析。根据基因检测所得到的结果,对样品进行溯源,找到对应植株并做出特定培养[13]。植株在培养的过程中需要占用大量时间和场地,并且在育种群体中有80%以上的植株因基因型不符合预期需要丢弃[9],造成了资源的浪费。

以小麦种子为例,其主要由种皮、胚乳和胚3部分组成(图1),其中胚乳是由胚珠经过传粉受精形成,其基因型与植株自身基因型保持一致,只需要提取单粒种子的胚乳进行基因检测即可获知该种子的全部基因信息[20]。因此,直接面向作物种子的无损切片基因样本提取可以节省大量的土地水肥资源,缩短育种检测周期[21]。

早在20世纪80年代,就有研究人员开展了面向种子直接采样测序的研究[22]。期间,研究人员采用手工直接切割、钻孔等方案获得组织样品粉末,进而检测其基因型。针对水稻、大豆等种子的样品检测数据均表明,其结果与萌发后植株的基因序列基本无异,基因型一致性达99%以上[23-24],为种子切片检测的科学性提供了理论依据。

面向种子的众多取样方法中,半粒种子法是最简单,也是手工取样中最常用到的方法。其步骤是将种子的一部分斩断,没有胚芽的一侧粉碎后作为样品送检,有胚芽的一侧则标记并存储。若样品检测结果为目标基因型,会将有胚芽的一侧挑选出来培养。

为了解半粒种子法切割后的种子活性情况,国内外学者分别对小麦、水稻、玉米、大豆等切割后的种子进行培养和观察[23-30]。研究表明,切割后的种子生长和发育会存在一定程度延迟,但是存活率与正常种子基本无异,满足大田培育的要求。CHUNWONGSE等[26]就小麦种子半切后的发芽率变化进行了对照试验,结果表明,小麦半粒种子在8周后发芽率与完整种子相近,达到85%以上,若在种子萌发过程中添加适量杀菌剂可以减少种子伤口处真菌的污染,有助于半粒种子萌发率的提高(图2a)。文献[31]将浸泡后的大豆种子子叶和胚乳处分别切取大约5%的组织,调查记录不同取样部位对种子发芽情况的影响。试验结果表明:与未处理的种子相比,微创取样后的种子发芽率虽然有所下降,但总体发芽率仍能达到80%以上,与未处理的种子的发芽率相近,且发芽率与种子胚乳切割点位无明显相关性(图2b)。

图2 种子萌发率统计

半粒种子法通常适用于粒径较长或体积较大、胚芽集中在一侧的种子,例如小麦、大麦、水稻,但是对于大豆等圆形种子,其外表光滑且不利于夹持,难以切割下样品;对于番茄种子,其胚胎呈螺旋形状,在对种子切割过程中难免损害到胚胎[26]。基于此类情况,一些研究人员开展了钻孔法、刮取法等取样操作形式。

比如VON POST等[32]使用直径为1 mm的钻头从干燥的大麦种子中钻孔,经检测种子提取样品与叶片提取样品的基因检测结果相近。MOTOKAZU等[33]用电钻在大豆子叶中央钻孔,钻孔后的大豆种子发芽率为98%,可以正常生长。SUASTE-DZUL等[34]使用雕刻切割机在棉花种子钻取2.4 mm深的孔洞获取到3.5 mg子叶样品,钻孔后的种子发芽率可达到98%。夏正俊等[35]针对水稻、大豆和玉米种子等作物钻孔取样时的钻头尺寸参数与获取到的样品质量进行统计,为钻孔工具的选型提供了参考。综上,使用钻孔工具在种子胚乳区域钻孔,可以避免对种子的胚轴造成伤害,每次可获得3～30 mg样品粉末,满足样本DNA总量的要求。这种方法解决了半切法种子难以彻底粉碎的问题,且取样形式更为灵活,对种子形态适应性广,取样位置、取样形状可控,减少了对种子的伤害。

2 种子切片装备研究进展

手工切片取样的方式存在耗时长、效率低、取样质量差等问题,不能满足高通量育种检测的需求,在分子育种规模快速增长的背景下,迫切需要研发自动化种子切片装备。

国外种子切片装备起步较早,21世纪初,先锋高级育种公司和孟山都科技公司就开展了相关装备研发。2001年,先锋高级育种公司率先在美国提出了自动化高通量种子样品处理方案[36]。在此基础上,孟山都科技公司于2003年在加拿大递交了高通量自动化种子分析系统的专利申请[37],这是世界上公布的第一款功能完善的种子切片装备。随后美国陶氏益农公司(Dow AgroSciences LLC)[38]、先正达公司(Syngenta Participation Ag)[39]、利马格兰欧洲公司(Limagrain Europe S.A.)[40]、科迪华农业科技公司(Corteva Agriscience LLC)[41]等育种企业也加入了研发的队列,种子切片装备的研究趋于白热化,各大育种企业争相占领技术高地。但是种子切片装备结构的复杂度高、集成难度大,样机的制造进展缓慢。

直到2009年在安大略省伍德斯托克举行的“Rural Coopavel”农场展上,孟山都科技公司首次对外展示了一款种子切片机(图3a),该种子切片机可以快速准确地从单个种子上切下一小片样品,然后进行DNA分析[42]。同年,孟山都科技公司在位于密苏里州圣路易斯的总部内展出了另一款种子切片机“The Mega Chipper”(图3b),该切片机主要用于玉米和大豆种子切片以进行基因型测试[11]。2012年,孟山都科技公司在巴西举办的“Rural Coopavel 2012”展会上展示了与“INTACTA RR2 PRO”作物研发配套的种子取样系统(图3c),该系统针对转基因大豆种子无损取样,缩短了作物育种周期[43]。2013年孟山都旗下的DEKALB Asgrow Deltapine公司展示了其Breeding HQ种子切片-基因检测实验室(图3d、3e),该实验室实现了种子从取样、标记归纳、基因提取、检测再到幼苗培育全流程自动化操作,每年可检测超过1 300万粒玉米种子的基因[44]。

图3 国外种子切片装备及其效果

目前,孟山都公司已研制玉米、大豆、棉花、甜瓜等多种农作物种子的自动化取样装备,取样效果如图3f所示[45],针对其它作物,如小麦、蔬菜的育种取样机也在研发当中[42]。在种子切片装备的助力下,孟山都的育种材料检测效率从原先的3～4个月缩减至半个月以内[12-13]。

虽然国外已有成熟的种子切片装备,但是其一直被种业巨头内部垄断,不对外提供任何技术服务和技术转让[7],国内长时间面临无机可用的窘境,研发具有自主知识产权的种子切片装备至关重要。近些年,随着我国对育种技术的重视,种子切片装备的相关研发逐渐提上日程。

2013年,中科院战略性先导专项“作物种子激光切削与DNA快速提取技术”,开启了我国种子取样装备研究,项目期间先后研制了“战略先导一代”、“战略先导二代”样机[46](图4a、4b),其采用机器人及相关控制技术设计了集种子精确送料、定位、分拣、存储于一体的自动化设备,实现对种子的精细定位及切削操作,日切削能力达到水稻1 000粒、小麦2 000粒、玉米/大豆4 000粒[47]。2017年第四届国际农业基因组大会上,中玉金标记公司公布了我国第一套商品化的种子切片机及挑选机(图4c、4d),标志着我国分子育种在群体取样技术和目标种子挑选技术方面实现了突破。该机型每天可至少完成4 000粒种子切片取样,种子对照发苗率达95%以上[48]。2021年,福建建成作物全基因组选择育种创新平台,搭建出全国首台国产商业化水稻种子切片机与高通量基因分型设备(图4e),建成了近3 000 m2的水稻表型自动采集设施,每天可自动采集3×104个水稻基因及生长情况的相关数据[49]。2022年,由浙江大学牵头的山东省重点研发计划“小尺寸异形种子高通量全自动微创取样关键技术研究及装备研发”获得立项[50],团队提出了小尺寸异形种子取样解决方案(图4f),该方案基于机械臂搭建10轴力控切片平台,可实现取样、存储、挑选于一体的全流程高效无损小麦种子取样。

图4 国内种子切片装备样机及方案

综上,种子切片装备的研发已成为业界共识,但是微创切割、高通量样本输送等关键技术尚不够成熟,造成取样精度差、样品纯度低等缺陷,限制了装备的市场推广和应用。

3 种子切片装备关键技术

按照工艺流程,种子切片装备的关键技术可分为种子分离、位姿调整、夹持输送、种子取样、样品收集等关键技术(图5)。其基本工作原理为:通过种子分离技术将种子群体分离成均匀的单粒种子流,位姿调整技术对单粒种子的姿态进行识别,获取其外形和胚胎方向信息。随后,通过夹持输送技术应用机械臂将种子按照目标姿态送入取样技术的既定取样位点;取样完成后的种子母体和分离开的种子样品会由机械臂或其它物料输送机构放入样品收集装置中,控制系统存储样品及种子所在料盘序号及孔位坐标。

图5 种子切片装备工艺流程

3.1 种子分离技术

种子分离技术可以将零散、无规则的种子群转化为均匀连续的单粒种子,以便于姿态的识别和机械臂的精确抓取。常用的单粒化种子分离技术按照其分离原理可大致分为机械式分离、气力式分离、振动式分离。

3.1.1机械式分离

机械式分离采用机械限位的方法获得所需种子流,主要包括充种、清种、投种等流程。充种环节使用槽穴等结构容纳一定数量的种子;清种过程则使用气流、毛刷等方式去除多余的种子,直至每个槽穴仅容纳一粒种子;投种过程会将取出的单粒种子投放至下一工序。文献[51]发明了一款分拣装置(图6a),采用卧式圆盘的结构,在圆盘的圆周分布有充种缺口,而每个充种缺口恰好只可以容纳一颗种子,当充种缺口携带单粒种子旋转到投种口时,种子从充种缺口分离投出。该方案结构简单,但是通用性不足,多适用于大豆等外形规则的大颗粒种子。文献[52]发明的自动种子取样器(图6b),使用活塞制动器进行取样。单粒化取种时,制动器驱动活塞伸入种子的料斗内,提取出一粒种子,提取到的种子在气流下移动到料斗隔间,完成取种工作。

图6 机械式分离典型结构图

3.1.2气力式分离

气力式分离主要是利用真空气泵产生的负压为动力源,实现单粒种子的拾取和分离。文献[53]在种子切片装备的种子分离阶段采用了分离轮结构(图7a),分离轮沿周向均匀布置有真空气孔,分离轮转动时,真空气孔依次通过充种室,将单粒种子吸附并固定,随分离轮转动。当真空气孔转动到对侧的收集器时,气孔的负压停止,单粒种子释放。文献[54]在分离轮结构的进种口位置增加计数器,进一步实现了对种子数量进一步监测与调整。由于分离轮结构的多个真空气孔针共用负压源,真空气孔的负压无法独立调节,易产生漏吸、多吸等缺陷。针对此类问题,文献[55]发明了一款真空吸盘结构,通过单个吸盘负压的精准调控,真空吸盘在料筒中可恰好吸取一粒作物籽粒。为了实现对种子分离过程工作质量的监控,JAHNKE等[56]在设计移动拾取装置的吸盘时,引入真空力反馈机制,吸嘴处压力传感器获取吸盘实时气压,通过设定压力阈值判断吸盘是否完成落料或堵塞(图7b)。文献[57]将多个吸盘并联在同一个机械臂上工作,在保证吸取质量的前提下,其工作效率得到极大提升。综上,气力式分离减少了机械式分离过程中对种子的机械力,在降低种子潜在损伤的同时具备较高的效率和单粒化合格率。

图7 气力式分离典型结构图

3.1.3振动式分离

振动式分离单粒化机构通常采用电磁激振器或电磁铁作为振动源,种子在滑槽运动的过程中,杂乱的种子堆会在振动力的作用下发生种子与种子、种子与滑槽间的相互作用,直至每粒种子都均匀平躺排列,达到其重心最低的状态。刘彩玲等[58]研究的振动供种型孔轮式非圆种子精密排种器(图8a),采用直线V型导槽,所容纳的种子会在振动力的作用下调整为“侧卧”姿态,而导槽上方的梳种针会将多余的种子清理,仅容纳单粒种子通过。研制的一种超级杂交稻压电振动式匀种装置(图8b)[59],使用压电振子对种盘施加高频振动,水稻种子在振动板表面导槽的约束下,逐渐形成单列稳定连续输送的种子流,具有结构简单、对种子损伤小、适应性强、工作效率高等优点。

图8 振动分离典型结构图

导槽作为振动式分离的核心部件,起到引导种子均匀排序的作用。通常,导槽的长度越长,其出口处的种子排列质量越高。使用螺旋形的导槽代替直线导槽可以在单粒化机构保留较长导槽同时结构更为紧凑。黄小毛等[60]设计了一种螺旋导槽式振动供种装置,主要由振动底座和料斗两部分组成。工作时,电磁振动器发生高频振动,种子沿导向槽缓慢移动。导向槽的结构为入口向出口逐渐收窄的喇叭状,收至槽口仅可容纳一粒稻种(图8c),多余的种子在周期性高频扭摆振动的作用力下从槽口掉落,实现单粒排列,该排种器对多品种种子均有良好的适应性。为了对种子单粒化质量进行识别与分析,文献[61]在螺旋供种装置的上方加装视觉相机,在出种口加装门形检测计数装置(图8d)。视觉相机用于判断排种单粒化质量,若质量不合格,则种子槽内部的止挡条会将种子清回充种室;门形检测计数装置用于统计输种信息,控制器可以基于输种信息对输种间隔与速度进行调节,供种精度进一步提高。

对于水稻、玉米等种子,由于其自身的形状以及物理特性,振动排种器亦可以在单粒化的同时实现种子朝向的初步定位,且精度较高,定位率可达到89%以上。常见的方法有基于重心定向、基于外形定向、基于摩擦特性定向等。

例如,玉米种子的重心不位于形状中心,在跌落时发生翻转的概率也不尽相同。在种子滑动路径设置合适尺寸的“台阶”,顺行的种子跌落后保持原先姿态,逆行的种子翻转,从而实现方位的重新排布。王应彪等[62]基于电磁振动设计的玉米种子定向排序输送装置(图9a)顺行定向成功率为93.5%,逆行定向成功率为89.4%。张东兴等[63]则是基于玉米种子的三角外形设计了判断种子朝向的复合式调向机构,复合式调向机构安装于振动排序装置的轨道中部,种胚朝向符合的种子通过,种胚朝向不符的种子则被动调整方向或重新掉落到种仓。试验表明该机构所选用马齿形玉米种子的胚面定向成功率均大于91%(图9b)。张斌等[64]对水稻种子摩擦特性及其对振动的响应进行研究发现,水稻种子表面分布有由胚胎向种尖方向生长的种毛,其在不同方向运动时所受的摩擦力具有各向异性,即粗糙的平面上沿种尖方向的摩擦力小于指向胚胎方向受到的摩擦力。在受激振力、重力和摩擦力的复合作用下,稻种会沿触点产生一定扭矩并发生转向,朝向摩擦力较小的种尖方向。基于该机理,开发了可以实现稻种沿其长轴按胚胎方向定向排列的供种装置,在振动试验台上测定定向排序成功率达95%以上(图9c)。

图9 定向排序单粒化机构

振动单粒化装置具有较高的精度,但是对作业条件的要求更高。如果环境中有振动的干扰,会导致单粒化精度下降。因此其使用范围较为受限,需要安装在隔振良好的平台,且与易产生振动的机构有时间上或空间上的间隔。

3.2 位姿调整技术

如何避免胚的机械损伤,保证种子在取样后顺利萌发是种子取样装备设计的核心与难点。借助位姿调整技术,可以使取样工具避开种胚的位置从而提高取样效率以及保证取样后种子的活性。种子因基因和生长环境的差异,每粒种子的尺寸与形状都存在区别,因此种子的姿态调整具有一定的难度。位姿调整技术的研究集中在两个方向,一是机械调整,即通过机械结构(例如型孔或仿形槽)实现种子按照单一或某种特定形式的朝向均匀排列,表1展示了机械调整典型技术原理及特点。另一个方向是视觉反馈控制法,基于图像识别技术获取种子的形态、颜色、纹理等特征并借助计算机完成种子的姿态估计,将种子姿态信息反馈给控制器驱动机械结构完成种子姿态的调整,实现机器视觉技术与自动化操作的精准对接。

表1 机械调整法典型技术原理与特点

视觉反馈控制法是以视觉技术为基础,配合自动化操作完成种子姿态调整的方法。通过实时识别种子的姿态,调整机械臂的末端执行机构,完成种子姿态角度的闭环控制,从而保证较高的姿态调整精度。视觉控制法以图像识别为核心,即快速准确地识别出种子的特征轮廓,进而解算其姿态,因而具有适用场景广、抗干扰能力强等优势。经过研究人员的不断积累与探索,已凭借其精准高效的优势在小麦、水稻、玉米等作物中广泛应用。

图10展示了视觉控制法在图像识别环节的整体分类。按照成像设备类型,分为可见光成像、雷达成像、激光成像、红外成像、X-射线数字成像、X-射线CT成像等。雷达成像和激光成像主要用于外部三维形态的直接获取,受技术水平限制,存在分辨力偏低、耗时长等缺点,在毫米尺度成像的应用较少。由于可见光成像、雷达成像和激光成像等技术受限于提取种子表层颜色及轮廓特征,更深层次的内部组织分布无法解析。X-射线数字成像、X-射线CT成像等可以根据种子内部密度分布判断空间内胚的位置,对种子胚的无损取样有重要指导意义。由于X-射线传感器安装改造过程繁琐复杂、测量不连续,限制了其近些年的研究应用和推广。表2总结了国内外种子成像研究成果,从表中可以看出,可见光成像是当今使用最普遍的方法,通过种子的二维可见光图像,基于特征点算法可以快速获取种子位置姿态等信息。

表2 国内外种子成像技术研究成果

图10 图像识别分类

传统图像处理可以对图像进行颜色通道二值化、灰度化、分离颜色通道、阈值分割等处理,从而得到所需特征区域并获取所需信息[75]。经典机器学习起源于20世纪中期[76],是通过计算机算法来学习数据中包含的内在规律和信息,从而获得新的经验和知识[77],发掘出高维数据背后隐藏的统计规律[78]。深度学习则是近年来由机器学习发展而来,作为数据中学习表示的一种新方法,强调从连续的深度网络模型中进行学习,相较于经典机器学习在分类预测的准确率、精确率、召回率有一定提升[79]。表3总结了种子姿态识别的研究进展。

表3 种子姿态识别研究进展

3.3 夹持输送技术

种子经位姿调整之后,为保证微创取样的准确性,需要将种子可靠夹持并准确输送到指定工作台上。由于种子体积小,形状各异,且易遭受机械损伤,如何提升夹持输送的效率和质量是需要重点考虑的问题。

为解决上述问题,早期学者们尝试使用往复或回转运动机构来实现种子的夹持与输送。孟山都公司[92]设计了一种自动无污染种子取样器(图11a),它由种子保持器提供的压缩力固定种子,通过圆盘回转运动将种子输送至预定取样位置,随后机械手爪插入种子保持器并向两边扩张,种子不再受到压缩力而释放。这是自动化种子夹持输送机构的雏形,适合流水线式作业。在此基础上,先锋公司对夹持和输送的结构做出改进(图11b),其采用负压将定向后的种子夹持,随后种子随输种滚筒旋转输送到切割位点。得益于多机构并联工作,其工作效率进一步提升[93],但是夹持可靠性低、输送成功率偏低的缺陷没有得到解决。

图11 夹持输送技术

随着数字化、自动化等相关技术的快速发展,机器人平台不断成熟并在生产中推广普及,众多学者将机器人系统引入到种子夹持与输送环节当中,提高了输送的效率和精准性。

文献[57]基于直线式三轴机械臂实现了取种、运输至切割台再运动到种盘落料的全流程操作。针对直线式三轴机械臂动作范围相对较小,设备空间因数较低的问题,文献[94]使用SCARA四轴水平关节机械臂,基于视觉伺服技术对机械臂抓取与搬运轨迹矫正,提高了种子输送精度。文献[95]设计了双臂协同运动的机器人系统,当种子完成切割后,两个机械臂分别抓取种子母体和切下的样品放入对应编号的容器内,该方案抓取可靠,样品不易发生丢失,但多机械臂协同运动控制会提高系统复杂度。

机械手爪作为机械臂的末端执行机构,决定了夹持的可靠性。常见的微型手爪结构有二指机械手爪、三指机械手爪、负压式手爪、液滴机械手爪等,如表4所示。由于种子体积普遍微小,传统的机械手爪已很难准确可靠夹持单粒种子,因此需要对机械臂末端手爪的结构升级优化,增加抓取稳固性,同时减少对种子的机械损伤。国内科研团队纷纷展开技术攻关,针对种子等小粒径物料的特性研究出多种手爪结构。

表4 适用于微小物料的手爪典型结构

针对传统二指机械手爪对于不规则物体夹持可靠度差、易损伤等缺点,方海峰等[100]基于仿生学原理设计了仿鸟喙软体二指机械手爪,手爪为由外至内锥形空腔的结构,在充入一定量的正压后,两指尖能像剪刀状张开,反之,在充入一定量的负压后实现指尖的闭合,从而完成整个抓取动作。该结构对于体积较小且形状不规则的物料具有良好的适应性。彭瀚旻等[97]使用IPMC薄膜材料设计了一款三指微型柔性手爪,在IPMC薄膜表面施加低电压后,其材料基体会发生大变形,驱动手爪收缩。当材料基体电压为零时手爪张开,该技术解决了传统三指机械手爪传动链复杂、微型化程度低等缺陷。对抓取力进行监控是预防抓取损伤的有效手段,为此研究人员开展了力敏微型机械手[102]、二维力反馈机械手夹持器[103]等研究,对抓取力和沿机械手轴向的压力的监控,实现了手爪基于力比例控制实时调整,进而保证物体与手爪之间不发生相对滑动。负压式手爪在微小农业物料的输送中亦有广泛应用,其抓取合格率取决于吸嘴气孔的形状、孔径、负压等[104-106],在使用此类结构时可通过Fluent-EDEM耦合分析,研究吸嘴作用下气流场特性,明确种子与吸嘴形态、负压之间的相互作用机理,提高抓取可靠性。

综上所述,不同的夹持输送技术各有特点,使用时需综合考虑易用性、易操作程度以合理选择、设计。柔性机构的设计以及力控、视觉伺服技术的综合利用可以有效避免种子的机械损伤,这是未来研发的重点和难点。

3.4 取样技术

种子取样技术需要从种子中取出一小块样品用于基因检测。根据其取样方式可分为冲切法、打孔法、拉削法和激光法,典型种子取样技术如表5所示。

表5 种子微创取样技术典型方法

从目前国内外样机研发结果看,激光法适用范围广,且切割方式灵活,切割参数可以根据种子类型与环境适时调整,但是激光切割可能会使样品切口横截面碳化,影响样本基因的检测精度。冲切法因其结构紧凑、效率高、设计简单等因素,受到国内外广大学者的青睐,使用案例较多,但是该方法对于种子有一定损伤,同时种子与刀片需要有一定接触面积,难适用于油菜等小颗粒种子。打孔法和拉削法可以直接获取粉末状样品,免去后续的样品粉碎操作,但是存在粉末易发生飘散和黏附等缺陷,不利于样品的收集和刀具的清洁。

3.5 样品收集与清洁技术

3.5.1样品收集

完成种子取样后,需要对所得样品进行基因检测,进而筛选出符合目标基因型的种子,挑选并培育。因此,种子母体和取下的样品需要定点分类存放,以便系统将种子和样品的坐标编号与种盒上的盒孔编号关联。

为了实现样品的对应收集和存储,研究人员提出了3种方案。第1种是对于使用机械臂操作的种子取样机,可以在种子切削完成后,直接驱动机械臂将种子母体放入收种盒对应位置[95]。这种设计减少了装置的机构数量,简化了设计,但是工作速度较慢。

第2种是收种盒固定,落料口随十字滑台运动的方案[51](图12a),样品通过固定的落料口落入指定样品槽中并记录样品坐标,随后XY滑台移动漏斗至底部对准相邻样品槽,等待样品下落。重复此步骤直至遍历整个收种盒的样品槽后即完成单个收种盒的收集。为了缩短滑台的结构,进一步提高滑台的结构紧凑性,文献[111]设计了一种圆柱关节-直线关节复合式平面滑台(图12b),外圈转盘转动,内部嵌入直线滑台,实现种子的精确安置。由于这类方案依靠重力落料,落料口上方的输种管道的倾角不得小于种子摩擦角,因而取样装置与收种盒高度上要保持较大距离,增加了样品在输种管道中的滑落时间。

图12 样品收集装置原理图

第3种是收种盒随十字滑台运动的方案[70,94,112],其基本结构如图12c所示。收种盒安装于十字滑台之上,其两端固定,随十字滑台移动。该方案实现效果与“落料口随十字滑台运动”相近,竖直方向空间和种子滑落时间都有所减少,但是平面结构尺寸有所增加,且移动部分需要承载收种盒及配套零部件,运动惯量较大,增加了对驱动性能的要求。

3.5.2污染预防及清洁技术

高通量取样过程中,样本基因的污染会影响基因检测的准确度从而影响目标种子的挑选,污染预防及清洁技术能够有效解决这一问题。为满足种子基因样品纯度要求,国内外研究人员分别从种皮DNA的污染和样品间的交叉污染两方面开展了一系列研究,力图提升样品纯净度,提高基因提取检测精度。

由于种皮来源于母本,基因型与母本一致,而种子的胚、胚芽等结构的基因型取决于父本和母本,这导致取样时易发生胚乳与种皮混合,进而出现样本的污染,即引入了种皮DNA的污染[113]。而样品间的污染则源于取样过程中上一个种子的样品在各部件之间由于黏附等情况发生残留积聚,并与下一个样品混合后流入样品管中。

为了减少种皮DNA的污染,研究者提出先去除种皮后取样的方案。例如先通过除磨装置去除种子的一部分种皮,露出种子内部的胚乳,然后应用取样工具再次在胚乳区域取样[92]。

对于样品间的交叉污染,可能是由于多个环节造成,因而选取合适的技术进行清洁是预防污染的重要前提。例如在取样阶段,为了减少切割工具本身残留的组织,文献[52,114]设计了略宽于刀片尺寸的沟槽结构,基于干涉原理在刀片穿越沟槽时将刃口处组织试样除去。针对在锯齿、钻头等结构难以深度清洁的问题,文献[92]设计了取样刀头清洗组件,利用气压将闲置的取样刀头进行吹洗以便准备进行下一次取样操作。在样品的收集阶段,文献[92]提出了一种无污染样品收集方案:收集管将种子取样后得到的粉末收集,收集管利用负压将粉末吸入管体,随后将注射针插入相应收集管的尖端内并注入溶液,形成样本悬浊液排到检测试管中。该方案利用水流清洗的方式在每次取样后对收集管进行清洁,保证了每次取样样品的纯净度。样品收集管、收集漏斗等零部件也可能沉积有残留组织,设计移动式吹扫装置对工作部件正压吹扫,负压收集污染物,可以一次性清洁多个零部件[30,46]。

总体而言,目前污染预防及清洁技术研究较少,相关的资料较为匮乏,需要在顶层设计时加强污染物的预防研究,从减少组织碎屑产生、飘散,提升清洁部件清洗能力,做好样品存储密封等方面把污染降到最低。

4 发展展望

种子切片装备的研制和推广可以显著提升我国育种实力,是解决种子芯片“卡脖子”难题的重要支撑。目前,我国种子切片装备正处于快速、健康发展时期。随着科技的进步与种业的发展,种子切片装备将迎来新的发展机遇。本文通过对国内外各类种子切片技术与装置的研究现状分析,结合我国育种行业存在的问题与需求,提出以下展望:

(1)加强种子切片装备基础理论研究

种子切片取样作为一项新兴的技术,涉及自动化、机械、生物、农业等多学科交叉研究。薄弱的基础理论会制约种子切片装备制造过程中结构与参数的选取,阻碍切割精度与质量的提升。随着模拟仿真分析技术的发展,基于动力学、运动学、力学的模拟仿真理论分析研究将有效扩展基础理论研究的深度与广度,为种子取样过程中的物料-刀具交互机理、胚向识别等基础理论研究提供有效指导,进而建立科学的育种切割体系,形成系统而全面的参数指导手册,为全面分析各参数对切片质量的影响提供更准确更全面技术参考。

(2)多尺度通用化种子切片平台开发

国内外已有学者研制出大豆、玉米作物种子的切片装备,经过调试后能达到较优的切割效果。由于这类育种切片机械适用作物种类单一,局限于小麦、水稻、玉米等普通农作物的切片,尚未进行其余粮食和经济作物种子的技术攻关与研发,无法满足育种科研机构与企业的需要。研制适用于多尺度、多形态的通用型种子切片机是扩展种子切片装备应用场景的有效手段。多尺度是指从油菜、芝麻等毫米尺度到大豆、花生等厘米尺度的种子均可以进行切割取样,且在取不同的种子时一套机械即可完成,无需更换零部件或仅需要更换简单的零件;多形态是指对于球形、条形、棋形、锥形等多种形态的种子均可以准确可靠的抓取、切割,且不对种子造成伤害。多尺度通用化种子切片平台的开发,可以提高切片平台的易用性和通用性,减少设备采购数量,适应多种作物的检测需求。

(3)发展全生产环节智慧取样检测系统

种子切片取样过程是一个融合了物理加工和信息控制的过程。将物理加工和信息控制深度融合成数字化取样检测系统,能够进一步提高高通量种子精准切片取样的能力。全生产环节智慧取样检测系统是基于育种切片取样和基因提取的方法,探索信息融合技术原理,打通种子基因检测各环节的技术壁垒,实现从种子取样、检测、挑选、培育到云端大数据综合分析的基因检测技术智慧体系,为种子切片装备智能化、精准化作业奠定基础。