【科普知识】农民太难了，机强蒜弱，一不小心就给挖破，怎么办？

马祥瑞，王永健，李骅

南京农业大学工学院

1、引言

随着农业技术的不断发展，机械化收获已经成为提高农业生产效率的重要手段。大蒜的收获，也从早期的人工收获，逐步过渡到了机械化收获。然而，如何在收获过程中降低作业机具对大蒜的损伤，一直是大蒜机械化收获面临的巨大挑战之一。

成熟的新鲜大蒜，皮嫩汁多，极易受损。人工收获通常是松土后直接拔取，基本上不会对大蒜造成任何损伤。机械化的大蒜收获，需通过挖掘机构对土壤进行振动挖掘。在这个过程中，如果收获方法不当，挖掘铲的作用力很容易就会损伤大蒜，甚至直接挖破大蒜。

图 1 机器在作业工程中可能会损伤大蒜

从根本上来说，蒜农更希望无损的人工收获。但是，无奈于劳动力成本的增加，伤蒜的机械化收获成为蒜农不得已的第二选择。由于大蒜植株的个体差异性，再先进的机械化收获方法，也无法保证零损收获。为了尽量降低对大蒜的损伤，振动挖掘机构的入土深度被调的较深，这确实可以尽量避免对大蒜的损伤，但是显然也增加了挖掘的阻力。一方面会使得挖掘机构更加笨重，另一方面也造成了更多的能量损耗，这一切都与现代农业的绿色理念背道而驰。

2、机器与人工的对比

在机器出现之前，早期的蒜农如同拔萝卜一般，抓住大蒜的秧苗直接拔出大蒜。但是，这种方式依赖于土壤条件。如果土壤较为干燥，直接拔出较为困难。这种情况下，蒜农一般会随身携带一个小铲，先给大蒜松土后再拔出。这种纯人工收获的方式，可以精细地控制力度和技巧，实现了大蒜的无损收获，但耗费了大量的人力物力，工作效率极其低下。

图 2 人工收获效率低下

机械化的出现给大蒜收获带来了曙光。现在市面上存在着两类大蒜收获相关的机器，一类为半人工半机械的松土式收获机，另一类为纯机械的联合收获机。松土式收获机严格来说，称不上大蒜收获机，只是一个松土机。它是通过深入土层的铲子振动，来实现松土功能，破坏土壤与大蒜的粘结。后续，再通过人工直接拔取的方式，完成大蒜的是收获。显然这种松土方式，其实就是利用机器来替代早期的人工松土。联合收获机则是实现大蒜的全程机械化收获，全方位地解放了劳动力。不过，联合收获机同样需要对土壤进行松土，以方便大蒜的出土收集。

图 3 机械化联合收获

无论是松土式还是联合式，入土挖掘是必不可少的一个环节。机械化的入土挖掘，不像人工可以根据每一颗大蒜的实际情况进行精细的控制，而只能是依据设定好的固定的方式进行挖掘松土，这个过程中难免会对大蒜造成损伤。

3、如何突破这一难题？

有没有一种方法，能够让机器像人一样，可以针对不同的大蒜个体，主动调整挖掘铲姿态，从而实现零损收获？人工智能的出现，为大蒜的机械化低损收获指明了方向。但是，想要将人工智能直接应用于大蒜收获机上，还有很长的路要走。最关键的是，深埋地下的大蒜，在挖掘铲的作用下与土发生挤压，究竟挖掘铲如何动作才会对大蒜造成损伤？目前不得而知。

想要搞清楚这个问题，最简单的方法就是试验。通过不同的挖掘铲动作，来观察实际的大蒜损伤情况，一目了然，无需深奥的理论分析。最理想的试验就是实际的田间试验，但是田间试验也是最不容易的试验，其土壤情况、大蒜情况、机器情况都不能很好地控制，导致多次重复的试验结果可能千差万别。最重要的是，田间试验太过复杂，很多的试验仪器根本无法安装，也就无从探测地下到底发生了什么。

图 4 复杂的相互作用

因此，实验室的大蒜损伤装置在大蒜的智能化低损挖掘方面就发挥了很大的作用。这种装置包含电机、减速箱、作动器、测试箱以及多种传感器，可以模拟真实的土壤条件和振动情况，以研究挖掘铲的不同循环载荷对大蒜损伤的影响。布置的多个传感器，可实时检测土壤、作动器和大蒜的受力变化，以分析大蒜受损的规律。

图 5 大蒜损伤试验装置

通过实验室的大蒜损伤装置的试验，就可以找到导致大蒜损伤的关键因素。有了这些试验数据，再结合仿真分析，就可以总结出不同的挖掘铲运动方式对大蒜损伤的影响规律，为人工智能的决策提供依据。

4、总结

机器换人是农业的发展趋势之一，而机器作业必然不像人工作业那般，不可避免地会造成农作物的损伤。如何确保低损收获，一直是农作物收获机械的重大研究课题之一。大蒜的低损收获研究，离不开相关的试验研究，而真实的田间试验，却难以测得相关的参数，所以大蒜损伤的实验室装置就可以用来解决这个问题。有了实验室的数据，就可以知道大蒜损伤的相关参数条件，结合计算机的仿真模拟，就可以模拟实际田间作业的收获过程，总结不同的作业方式对大蒜损伤的影响规律，为人工智能的决策提供依据。