基于超声相控阵技术的种子声泳分选系统：现代农业分选技术的革新

研究人员针对传统气动分选系统成本高、精度有限的问题，开发了基于超声相控阵(PAT)的声泳分选系统。该系统通过40 kHz聚焦声波实现种子非接触式弹射，在静态实验中实现7 mm水平/5 mm纵向分选分辨率，动态条件下可完成多级分选（95%准确率）和杂质清除（73%回收率）。这项发表于《Nature Communications》的研究为农业自动化提供了低成本（0.4 kW/m）、低噪音（55 dB）的新型分选方案，同时展示了空中悬浮检测等扩展功能潜力。

　　

在现代农业生产中，种子分选是确保作物品质的关键环节。传统气动分选系统虽然广泛应用，却面临着喷嘴易堵塞、维护成本高（单系统6-11k美元）以及难以实现多级分选等瓶颈问题。更令人头疼的是，这些系统在处理轻质种子时经常出现"误伤"，将合格种子与杂质一起弹射出去。面对这些挑战，Acoustofab Ltd的研究团队另辟蹊径，将原本用于医学成像和悬浮显示的超声相控阵技术(PAT)引入农业领域，开发出革命性的声泳分选系统。

这项发表在《Nature Communications》的研究展示了一种全新的解决方案。研究团队采用16×16阵列的40 kHz超声换能器，通过精确控制声波相位，在空气中产生可编程的声辐射力(Acoustic radiation force)。这种非接触式作用力不仅能将不合格种子精准弹射出传送带，还能实现传统系统难以企及的多级分选功能——就像用无形的"声波手指"将种子轻轻拨入不同的收集箱。

研究采用了两个关键技术框架：基于OpenMPD软件的灵活控制系统可实现实时种子追踪与弹射，而独立FPGA框架则将延迟控制在惊人的1.08毫秒——比传统气动系统（10-30毫秒）快一个数量级。通过GS-PAT算法优化相位分布，系统能在12厘米距离处产生7 kPa的声压，足以弹射从轻质的番茄种子（3.3 mg）到较重的甜瓜种子（49.2 mg）等各种农业物料。

静态分选实验验证了系统的空间分辨率。当胡椒种子间距≥7 mm时，系统能精准弹射目标种子而不干扰邻近个体，这一表现与9 mm的声束半高宽(FWHM)相符。更令人印象深刻的是，在传送带动态实验中，通过调节脉冲持续时间（10-40 ms）和声压幅值（1-7 kPa），研究人员实现了对种子弹射距离的线性控制——这为多级分选奠定了基础。

在杂质清除实验中，系统面对高难度挑战表现出色。即使故意将芫荽种子与杂质比例设为30:65的极端条件，经过两次分选后仍能达到88%的纯度，将初始31%的纯度提升近两倍。石头等重质杂质因不受声辐射力影响自然落入废料箱，而低球形度的枝条则被光学系统识别后排除。

颜色分选实验则展现了系统的多功能性。通过为不同颜色（原色、红色、绿色）的甜椒种子设置差异化的声压幅值（0/5.3/7.0 kPa），系统实现了三通道分选，总体准确率达95%。这种非二进制分选能力是传统气动系统难以实现的。

研究还前瞻性地展示了声泳技术的扩展应用场景。自由落体分选可避免传送带摩擦干扰；声学预排列功能能在分选前将随机分布的种子排列成规整阵列；而三维声悬浮则为种子360°检测、包衣等处理提供了无接触平台。这些创新应用将传统分选设备升级为多功能处理系统。

这项研究的意义不仅在于解决了农业分选的具体问题，更开创了声学操控技术在宏观物体分选领域的新范式。相比传统气动系统，PAT分选系统具有三大优势：一是运营成本降低（能耗0.4 kW/m，无压缩空气需求）；二是维护简化（无移动部件，不易堵塞）；三是功能扩展性强（支持悬浮检测等增值功能）。研究团队指出，虽然当前系统在商业级纯度（>99%）方面还需优化，但其模块化设计便于集成到现有光学分选设备中，为农业自动化提供了极具前景的升级方案。

随着全球对粮食安全和可持续农业的关注度提升，这种融合了声学工程与农业技术的创新解决方案，有望成为下一代精准农业装备的核心技术。从实验室走向田间，声泳分选系统或将重新定义我们处理种子的方式，为从源头上提升作物品质开辟新途径。