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为解决指甲花（Lawsonia inermis L.）传统手工采收劳动强度大、成本高、危害工人健康等问题，研究人员设计开发了机械化指甲花收割机并评估其性能。结果表明该收割机在特定转速下性能良好且成本低，对指甲花种植意义重大。
在印度，指甲花（Lawsonia inermis L.）不仅在医药、化妆品和工业领域有着重要应用，还承载着丰富的文化内涵，常被用于婚礼和节日等社交活动，深受人们喜爱。然而，指甲花的采收过程却面临着诸多难题。每年 10 - 11 月和 4 - 5 月的采收期内，由于其易受降雨影响，必须迅速完成采收。传统的手工采收方式，需用锋利的弯镰刀并佩戴防护皮手套贴近地面切割带叶树枝，不仅劳动强度大，约占总种植成本的 32%，而且对工人技能要求高，容易使工人产生极度的身体疲劳和姿势不适，还存在肌肉骨骼受伤的高风险。据相关评估，从事指甲花采收工作的工人 REBA 评分处于 “极高” 风险水平，平均整体不适评分达 6.99，属于重度疼痛范畴，身体部位不适评分更是高达 39.73。同时，针对类似木本作物的机械化采收研究虽有进展，但专门用于指甲花的机械收割机尚未开发出来。在此背景下，为了改善这一现状，印度政府农业工程与技术学院（Govt. College of Agricultural Engineering and Technology）等多所机构的研究人员开展了指甲花收割机的设计、开发与性能评估研究。
研究人员通过一系列实验，得出了令人欣喜的结论。他们开发的机械化指甲花收割机在特定条件下展现出了优异的性能，为指甲花的采收带来了新的希望。该研究成果发表在《Scientific Reports》上，为指甲花种植产业的发展提供了重要的理论支持和实践指导。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，对指甲花植株进行了全面的物理特性测定，随机选取 40 株植株样本，测量其株高、冠幅直径和茎直径等，并采用烘箱干燥法测定 20 个样本的水分含量。其次，通过实验室测试，对 4 种不同类型的圆锯刀片进行筛选，确定了最适合的刀片。最后，在田间试验中，设置不同的前进速度和刀片转速，评估收割机的各项性能指标，并运用响应面法（RSM）结合中心复合设计（CCD）进行统计分析。
下面详细介绍研究结果：
- 指甲花物理特性：测量了指甲花植株的多项物理特性，如株高平均为 122.97cm，冠幅直径平均为 165.90cm，茎直径平均为 21.91cm，水分含量平均为 14.16%。这些数据为收割机的设计提供了重要依据。
- 收割机设计：根据指甲花的物理特性和采收需求，设计了包括作物导向器、切割刀片、发动机等多个组件的收割机。例如，选用直径 250mm、80 齿的碳化钨圆锯刀片，该刀片在切割时所需功率最小；发动机功率则根据切割、牵引和传动等不同操作的功率需求进行计算选取。
- 田间性能评估
- 对收获效率的影响：研究发现，收获效率与刀片速度和前进速度呈两因素交互关系。随着刀片速度增加，收获效率提高；随着前进速度降低，收获效率也提高。在前进速度为 1.5km/h、刀片速度为 1200rpm 时，收获效率最高可达 89.21% 和 86.22%。
- 对破碎损失的影响：破碎损失同样与刀片速度和前进速度呈两因素交互关系。刀片速度增加，破碎损失减少；前进速度增加，破碎损失增加。在前进速度为 1.5km/h、刀片速度为 1200rpm 时，破碎损失最低为 1.88% 和 2.33%。
- 对田间产能的影响：田间产能与刀片速度和前进速度呈线性关系。刀片速度和前进速度增加，田间产能均提高。在前进速度为 2.5km/h、刀片速度为 1200rpm 时，田间产能最高可达 0.25ha/h 和 0.21ha/h。
- 数值优化：通过对操作参数施加约束进行数值优化，确定了最佳操作参数组合为刀片速度 1200rpm、前进速度 2.11km/h。此时，破碎损失最低为 2.14%，田间产能最高为 0.22ha/h，收获效率为 85.89%，虽不是最佳但接近最优，综合性能良好。
- 验证优化方案：在优化的刀片速度和前进速度下进行实验，结果表明回归模型能准确预测响应参数，实际数据均值在预测区间内，验证了优化方案的准确性和可靠性。
- 经济性能评估：对收割机进行经济可行性分析，考虑投资、维修成本、运营周期等因素，结果显示该收割机投资回收期为 5.04 个月，效益成本比为 2.31，相比手工采收可节省 80% 的成本，具有很强的经济可行性。
研究结论和讨论部分指出，开发的机械化指甲花收割机有效解决了传统手工采收的难题，在刀片速度 1200rpm、前进速度 2.1km/h 的条件下，能实现 86.32% 的收获效率、2.14% 的最小破碎损失和 0.22ha/h 的田间产能。这一成果不仅提高了采收效率，降低了劳动强度，还保障了工人的安全，为指甲花种植带来了显著的经济效益，对推动指甲花种植产业的可持续发展具有重要意义。不过，该研究也存在一定局限性，如性能评估仅在特定田间条件下进行，可能无法反映不同环境的差异；原型设计在大规模生产时可能面临耐久性、维护和成本效率等挑战。未来研究可进一步探索收割机设计的改进和在类似作物中的应用，为农业机械化发展做出更大贡献。
