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为解决修剪过程中质量差、刀片磨损严重等问题，研究人员开展毛白杨枝条生物力学特性及修剪机制研究。通过建立有限元模型模拟修剪过程，发现调整切割速度和刀片楔角可改善修剪效果，为机器人修剪优化提供模型，助力林业发展。
在广袤的森林世界里，速生丰产林作为一股重要力量，占据全球森林面积的约 7%。它们凭借短轮伐期、高木材产量和优良品质，广泛应用于造纸、板材加工、建筑和家具制造等众多领域。毛白杨（Populus tomentosa）便是速生丰产林中的典型代表，在温带季风气候区的华北平原等地广泛种植。
然而，想要收获高质量、高产量的木材，科学的修剪和培育必不可少。随着科技进步，自动化修剪系统不断涌现，像中国的 Monkeybot 机器人和德国的 Patas 机器人，采用冲击切割机制进行树木修剪，效率远超传统锯切或剪切方法。但新的问题接踵而至，冲击切割带来了严重的刀片磨损和树枝劈裂现象，不仅增加了维护成本，还会在树干内部形成死结，破坏木材纤维的均匀性，导致木材质量大幅下降。
为了攻克这些难题，来自未知研究机构的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究。他们聚焦毛白杨枝条的生物力学特性，深入探索修剪机制，相关研究成果发表在《Computers and Electronics in Agriculture》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，通过机械实验测定毛白杨枝条的力学性能参数；然后，建立能反映其各向异性特性的有限元模型（Finite Element Model，FEM）；最后，利用 Plackett - Burman 和 Box - Behnken 方法校准模型参数，并通过野外测试验证其可靠性。
下面让我们详细了解一下研究结果：
- 毛白杨枝条生物力学特性：从 5 个样本中选取 15 组典型枝条样本，利用万能材料试验机测定其力学性能数据，绘制出拉伸和压缩真应力 - 应变曲线以及弯曲载荷 - 位移曲线，为后续研究提供基础数据。
- 有限元模型建立与参数校准：成功建立有限元模型后，采用 Plackett - Burman 和 Box - Behnken 方法对模型参数进行校准。经过校准后的模拟模型与实验数据对比，预测误差率小于 10%，这表明该模型具有较高的准确性和可靠性。
- 修剪机制分析：通过模拟分析发现，降低切割速度和增加刀片楔角会使峰值应力降低，从而减少刀片磨损；而提高切割速度和减小刀片楔角则能提升修剪质量。当切割速度超过 6 m?s?1且刀片楔角小于 35° 时，直径 25 mm 的枝条切割成功率接近 100%。
综上所述，该研究通过机械测试深入探究了毛白杨枝条的生物力学特性，并成功开发出用于冲击切割修剪过程的有限元模型。研究结果不仅明确了切割速度和刀片楔角对修剪质量和刀片磨损的影响规律，还为机器人冲击切割修剪的模拟和优化提供了坚实可靠的模型。这对于提升林业修剪实践水平、开发高质量林业修剪产品具有重要意义，有望推动整个林业修剪领域朝着更加高效、精准的方向发展，为林业产业的可持续发展注入新的活力。
