組培苗自動化生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

組培苗自動化生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展

0組培產(chǎn)業(yè)尚未實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、成本低植物組織培養(yǎng)因具有短期保養(yǎng)、高繁殖系數(shù)、高產(chǎn)量等特點，可以大大提高植物的抗鹽、抗旱性和抗寒性。近年來，它被廣泛應(yīng)用于苗木、花卉、蔬菜等植物的大量繁殖。世界各國都十分重視組培技術(shù)的研究,組培生產(chǎn)發(fā)展迅速,組培苗年產(chǎn)量在幾十億株以上[1～3]。然而,目前組培苗的生產(chǎn)尚未實現(xiàn)機(jī)械化與自動化,仍以人工為主,存在速度慢、勞動強(qiáng)度大、成活率低、生產(chǎn)成本高等問題。據(jù)統(tǒng)計,發(fā)達(dá)國家的勞動力成本占組培生產(chǎn)總成本的60%～70%,使組培產(chǎn)業(yè)在成本與效益的維持上出現(xiàn)困難,以致該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展近期表現(xiàn)出停滯現(xiàn)象。因此,目前國內(nèi)外都在開展組培苗自動化生產(chǎn)技術(shù)的研究,研發(fā)相應(yīng)的自動化生產(chǎn)設(shè)備,以期以機(jī)械生產(chǎn)代替人工作業(yè),來達(dá)到提高生產(chǎn)效率、減少病菌感染幾率、提高成活率、節(jié)省人力、降低成本的目的。1組培技術(shù)中的機(jī)械化問題植物組培技術(shù)自20世紀(jì)60年代得以迅速發(fā)展以來,澳大利亞、日本、英國等國家對組培苗自動化生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行過探討。為了適應(yīng)機(jī)械化生產(chǎn),不少專家提出改進(jìn)組培苗的培養(yǎng)方式。1991年,Zandvoort與Hoidgate提出3種組培技術(shù),分別討論其機(jī)械化可行性;1992年,Young等人討論以連續(xù)流動的液態(tài)培養(yǎng)基取代固態(tài)培養(yǎng)基進(jìn)行組培,以利于進(jìn)行機(jī)械化生產(chǎn),隨后在此基礎(chǔ)上,采用內(nèi)含網(wǎng)框的三明治型容器,對甘薯組培苗切割機(jī)械化技術(shù)進(jìn)行研究;1994年,Vasil以生理觀點對組織培養(yǎng)自動化問題進(jìn)行探討,認(rèn)為蔬菜與林木種類的組培苗進(jìn)行機(jī)械化加工較合理;1995年,Aitken-Christie等對傳統(tǒng)組培苗分切方式與液體培養(yǎng)基生產(chǎn)方式加以比較,對組培技術(shù)自動化的可行性進(jìn)行了探討。同時,一些專家認(rèn)為培養(yǎng)容器的選擇對實現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)十分重要。傳統(tǒng)的組培苗生產(chǎn)方式僅在移植作業(yè)時處于無菌狀態(tài),其余作業(yè)空間以組培瓶所在的栽培室為主體。較好的環(huán)境由光線與溫度控制,大多數(shù)的組培瓶仍然放在一般的大氣環(huán)境中。為了避免雜菌污染,組培瓶以狹口、小面積、長頸的容器為主。如日本原來使用三角玻璃瓶,由于瓶口深窄,使組培苗移入與移出很不方便,操作人員需要使用細(xì)長的鑷子,以手腕進(jìn)行復(fù)雜動作,若用機(jī)械化操作則難度更大。鑒于此,有專家提出改進(jìn)培養(yǎng)容器的形狀以適應(yīng)機(jī)械化的要求,如采用長方形開口的大型培養(yǎng)容器(培養(yǎng)盒)代替細(xì)口培養(yǎng)瓶。培養(yǎng)盒的空間相對較大,入口處也寬敞,機(jī)械容易工作,而且采用培養(yǎng)盒培育的苗間距規(guī)則,不易產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象,基本呈直立狀態(tài)生長,有利于識別和抓取,便于實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè),如歐美以使用GA-7方形瓶為主。在我國,組培技術(shù)的研究與應(yīng)用雖已有多年,但基本上研究重點都在品種的選用、培養(yǎng)基的制作等方面,對培養(yǎng)方式的研究甚少。到目前為止,基本上都采用細(xì)口培養(yǎng)瓶育苗。2組培苗的切割移植組培苗的生產(chǎn)過程通常分為母株的選擇準(zhǔn)備、消毒接種、繁殖分化、根芽生長和馴化健化等5個階段。在繁殖分化時期,為達(dá)到預(yù)定的苗株數(shù)量,通常需要經(jīng)過多次的循環(huán)繁殖作業(yè)。在每次繁殖分化期結(jié)束后,必需將已長成的植株切割成帶有腋芽的小莖段(或小塊芽團(tuán)),然后插植到新培養(yǎng)容器的繼代培養(yǎng)基中,使之再成長為一個新的苗株。該工作過程對環(huán)境要求高,需要適宜的溫度、濕度及氣體濃度等,其中最重要的是要盡量減少病菌的污染,因此組培苗的切割移植生產(chǎn)一般都在無菌工作間進(jìn)行。組培苗的切割移植作業(yè)重復(fù)性大、工作量大,需要投入大量的人力和時間,是整個組培過程的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)和勞動聚集點,是最需要實現(xiàn)機(jī)械化與自動化的作業(yè)過程。在根芽生長時期,準(zhǔn)植株必須移植至新介質(zhì),促使芽點再生長與根部的分化。在此階段準(zhǔn)植株的數(shù)量發(fā)展到最大值,因此需要開發(fā)自動化移植裝置以減少勞力成本。在馴化健化時期,已長成的小植株必須從培養(yǎng)瓶中移出,移植到多孔穴盤中,放置在溫室中進(jìn)行健化處理。在組培苗的整個生產(chǎn)過程中,前期處理作業(yè)與輸送作業(yè)(如介質(zhì)配方的混合、消毒、填充、分注培養(yǎng)器內(nèi)、培養(yǎng)器的輸送、上架與下架作業(yè)等)可采用工業(yè)方案來解決,而繁殖分化期與根芽生長期中的移植作業(yè)除了需將組培苗檢取、移植到新瓶的動作之外,還需對苗進(jìn)行判別、選取和切割,實現(xiàn)難度大,工業(yè)界無現(xiàn)成設(shè)備,必須自行研發(fā)。2.1自動化分割移植設(shè)備的現(xiàn)狀由于不同種類的組培苗形態(tài)不一樣,研制對每一種形態(tài)的組培苗都適用的通用性分割移植機(jī)械裝置不太可能,因此目前國內(nèi)外組培苗自動化分割移植設(shè)備都是針對某種或某一類形態(tài)的組培苗進(jìn)行研制的,已有的裝置基本上都是針對直立芽和球根這兩種形態(tài)的組培苗。根據(jù)有無機(jī)器視覺裝置和針對組培苗的形態(tài)(是直立芽還是球根),目前國外組培苗自動化分割移植生產(chǎn)系統(tǒng)有如下幾類[9～12]。2.1.1節(jié)點位置定位該型系統(tǒng)適用于馬鈴薯、康乃馨、美國杉木等作物,為日本Toshiba公司開發(fā)的產(chǎn)品。其主要機(jī)構(gòu)為兩具機(jī)器手臂:第一具手臂為移植手臂,共有6軸,利用剪刀型切刀進(jìn)行割取作業(yè),并由夾持器進(jìn)行撿拾、計數(shù)與輸送動作,最大線速度1m/s;第2具手臂為3軸相互垂直的偵測手臂,配有激光發(fā)生器、激光掃描儀,反射光聚焦器和位置感應(yīng)裝置,再配合32位計算機(jī)進(jìn)行圖像處理,用以確定植株節(jié)點的X,Y,Z軸位置。該系統(tǒng)的作業(yè)流程為:1)輸送已有培養(yǎng)母株的培養(yǎng)瓶與待移植的新培養(yǎng)瓶;2)確認(rèn)母株的節(jié)點位置;3)導(dǎo)引方向,夾持植株;4)切下節(jié)點并夾持;5)消毒收取容器;6)移植節(jié)點至收取容器;7)重新定位節(jié)點位置,重復(fù)2)～6)步驟;8)收取容器插滿后加蓋置于培養(yǎng)盤,再送到栽培室,每次切割動作割取一塊組織,所需時間約10～15s。英國研究人員曾開發(fā)出一種基于機(jī)器視覺的機(jī)械臂移植系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用一具3軸相互垂直的機(jī)械臂對苗株進(jìn)行切割和移植。攝像機(jī)由上方俯視X-Y軸向,定位Y型節(jié)點的方向與位置。其節(jié)點位置定位的成功率為62%,植株移植成功率84%。在完成分割之后,用一條橫棒將切割下的節(jié)點從底部推至培養(yǎng)基內(nèi),使節(jié)點保持直立狀態(tài)。2.1.2球根0.2處理流程日本三菱公司開發(fā)出了該類型設(shè)備,適用于馬蹄蓮、蘭花等球根類作物。該設(shè)備整個系統(tǒng)由根部切除設(shè)備、輸送臂、球根鱗片分離器、圖像處理器、移植手臂組成。系統(tǒng)工作流程如下:1)輸送臂自外界容器取出球根并放置于球根鱗片分離器;2)分離器利用附在直徑10cm滾筒上的回轉(zhuǎn)碟刀切開表皮,再以離心力刮離鱗片;3)球根鱗片分離后,單一小鱗片個別輸送至皮帶上;4)圖像處理器測定球根鱗片的大小、形狀、方向與圓心位置等;5)移植手臂檢取球根鱗片并移植至栽培介質(zhì)內(nèi),其中圖像處理器包含CCD照相機(jī)、旋轉(zhuǎn)盤和計算機(jī)。該型移植設(shè)備具有4雙手指用于同時挾取4片鱗片,每一收取容器經(jīng)兩次移植放入8片鱗片,每次移植動作需18s,每天工作量為4800片。2.1.3玫瑰繁殖系統(tǒng)日本Komatsu公司開發(fā)的該類型設(shè)備適用作物以馬鈴薯為代表。系統(tǒng)包括消毒設(shè)備、分割與移植機(jī)構(gòu)、培養(yǎng)容器、培養(yǎng)盤及培養(yǎng)室。培養(yǎng)盤內(nèi)有溶液供應(yīng)設(shè)備、栽培液滴下設(shè)備與紫外光燈。該系統(tǒng)工作原理為:利用0.4%過酸溶液的噴霧動作進(jìn)行消毒作業(yè);利用微電腦控制分割與移植裝置;分割動作利用多重極薄刀片于預(yù)設(shè)高度以多行切割方式切下所需節(jié)點,再送至收取容器;割取動作與割草機(jī)割取草地相似,切刀一次割取數(shù)百個芽點再送至收取容器。日本Mitsui石化工業(yè)與Ohtake技術(shù)聯(lián)合公司共同開發(fā)了另一種繁殖系統(tǒng),作業(yè)對象為迷你玫瑰。該系統(tǒng)工作原理為:機(jī)械臂從培養(yǎng)瓶中撿取一段玫瑰芽點,分割成5段,移植到繁殖用培養(yǎng)容器的介質(zhì)內(nèi),再為容器加蓋。移植動作的消毒利用紫外光,植株節(jié)點的位置利用16雙光束加以識別。該系統(tǒng)每小時可移植240瓶。2.1.4利用新培養(yǎng)容器生產(chǎn)的苗株感染檢測培養(yǎng)過程日本KirinBrewery公司開發(fā)出該類型設(shè)備,其工作效率比人工高10倍,適用于觀賞羊齒類植物。該設(shè)備的工作流程如下:1)栽培容器由輸送皮帶從供應(yīng)箱輸送到無菌臺,每次輸送1個;2)真空圓筒去蓋;3)切刀圓筒進(jìn)入容器內(nèi)將植株分成36個立體單位,每個單位包含數(shù)個植物;4)切刀圓筒夾持這些植株單位并移植到已填裝培養(yǎng)基的4具新培養(yǎng)容器內(nèi),每只容器放入9個培養(yǎng)單位,移植的深度可用傳感器調(diào)整;5)培養(yǎng)容器再以真空圓筒加蓋,送到輸送箱;6)每次作業(yè)完成后,切刀圓筒重新消毒。我國臺灣國立中興大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程學(xué)系曾開發(fā)出一套金線蓮組織培養(yǎng)苗(條狀苗)的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由苗瓶移送機(jī)器人、開關(guān)瓶平臺機(jī)構(gòu)、苗瓶消毒機(jī)構(gòu)、苗株移植機(jī)器人、手端機(jī)構(gòu)、分株機(jī)構(gòu)及鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)等7部分組成。其中,苗株移植機(jī)器人采用X、Y兩自由度直角坐標(biāo),可以在水平和垂直兩個方向運(yùn)動,各軸分別由滾珠絲杠配合伺服馬達(dá)驅(qū)動。手端機(jī)構(gòu)由取苗夾爪和苗株提升夾爪兩部分組成,作業(yè)時由苗株提升夾爪將苗提起,使苗株與培養(yǎng)瓶分離,取苗夾爪將苗卡住,然后由分株機(jī)構(gòu)(在垂直方向平行設(shè)置等間距的3個鋸齒圓盤薄刀片)沿取苗夾爪之間的縫隙將苗切斷。整個裝置可以完成苗瓶移送、開關(guān)瓶蓋、苗瓶消毒、抓取苗株、提升苗株、截取苗株、將截株放入新的培養(yǎng)瓶并壓入培養(yǎng)基等動作。該裝置加工一瓶約10min20s,若以一天工作8h計算,此系統(tǒng)每天可完成127瓶,比人工作業(yè)(110瓶)略快。2.2機(jī)械手臂數(shù)據(jù)處理針對根芽生長階段的移植作業(yè),日本東京大學(xué)農(nóng)學(xué)生命科學(xué)研究所以蘭科作物為對象,開發(fā)了培養(yǎng)苗的自動識別和自動移栽機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3部分組成,一是由視頻照相機(jī)和圖像采集卡組成的圖像處理部分;二是由機(jī)械手和控制桿組成的操縱部分;三是由形狀記憶合金和應(yīng)變片組成的夾持手爪部分。圖像處理裝置用來采集、轉(zhuǎn)換和存儲圖像信號,并可將圖像信號實時的在顯示器上表示出來,以便于進(jìn)行苗的選擇、葉子伸展方向的檢測和夾持位置的檢測。機(jī)械手臂采用5自由度垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人。夾持手爪由一對嚙合齒輪的側(cè)面各自裝有的夾持指板構(gòu)成,指端彎成楔狀,手爪上裝有形狀記憶合金來控制手爪的夾持力,裝有應(yīng)變片來實時測量手爪的夾持力。這3部分由一個主控計算機(jī)來控制。在圖像處理算法中,利用苗的RGB圖像的色度和G灰度值把葉子部分從背景中提取出來,然后根據(jù)葉子的投影面積對培養(yǎng)苗進(jìn)行大、中、小分級,利用力矩法測定葉子的展開方向,利用葉子中間變細(xì)的方法確定苗的夾持位置。對于機(jī)械手臂的位置控制,以圖像處理所要求的葉子展開方向和苗的夾持位置為基礎(chǔ)。首先,手爪平行于葉子展開方向,相對夾持位置垂直距離10mm左右插入,接著手爪平行移動到夾持位置,閉合手爪,將苗夾起,再根據(jù)苗的大小,分別移植到大、中、小各容器內(nèi)。對于手爪的力控制,采用增量式PID控制算法。該機(jī)器人系統(tǒng)的移栽成功率達(dá)到80%,一棵苗的移植時間大約要20s。2.3圖像采集與處理針對馴化苗移植業(yè),日本煙草公司開發(fā)了一種移植機(jī)械臂。利用照相機(jī)于側(cè)面與頂部進(jìn)行圖像采集和處理,以判定植株的葉數(shù)、寬度、高度、形狀及顏色等。在我國內(nèi)地,雖然組培產(chǎn)