《AgriEngineering》：Design and Assessment of an Ultrasonic Pollination System for Greenhouse Tomatoes
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本研究介绍一种无需物理接触即可为番茄花授粉的超声装置的设计，并给出其首次温室定量评估。温室番茄生产依赖商用熊蜂（Bombus terrestris）蜂箱，带来重复成本、管理及法规限制和生物安全风险。研究人员开发了一种便携式手持空气超声装置，集成两个同步开放硬件
本研究介绍一种无需物理接触即可为番茄花授粉的超声装置的设计，并给出其首次温室定量评估。温室番茄生产依赖商用熊蜂（Bombus terrestris）蜂箱，带来重复成本、管理及法规限制和生物安全风险。研究人员开发了一种便携式手持空气超声装置，集成两个同步开放硬件相控阵模块（2 × 256个阵元，40 kHz载波），通过电子相位控制实现焦点操控，并以幅度调制（AM，20 Hz–1 kHz）激发花器振动。耦合有限元/边界元模型（FEM–BEM）表明，将声波长减小至毫米级花器尺寸可增强声–结构耦合。性能在温室中评估：102株番茄分为三组（未处理对照、商用振动棒和超声驱动），工作距离0.1–0.3 m，由一名操作者瞄准单个模块。聚焦超声在焦点产生155–160 dB（RMS，re 20 μPa）的声压级；超声授粉坐果率持续高于90%（最高96.5%），接近商用振动棒（94%），而未处理对照为53–65%。在所测试温室条件和工作距离下，聚焦、调制空气超声可能为接触式授粉提供有前景的非接触替代方案。遮挡敏感性、声衰减和操作者暴露仍有待解决。
研究背景与问题：温室番茄生产主要依赖商用熊蜂（Bombus terrestris）蜂箱授粉，但存在效果受温度影响、重复成本、蜂箱管理、法规与地理限制及生物安全风险；高温（>32 °C）时熊蜂停止访花，蜂群寿命约8–12周需监测更换；澳大利亚禁止进口熊蜂，种植者依赖振动棒逐行人工授粉，劳动成本高；接触式授粉还可传播番茄褐色皱果病毒（ToBRFV）。非接触人工授粉研究有限：气流脉冲、无人机气流和声振动多处于早期阶段；商业机器人喷嘴利用气压振动花，但详细数据未公开；50 Hz–10 kHz声刺激可增加花粉释放、结籽、果径和果重，扫描电镜显示超声可物理分离花药锥鞘互锁毛状体；20 kHz以上超声辐射压力已用于草莓授粉，特定试验商品果率91.7%，但超声参数与授粉效率关系未明。不同驱动方式、频率、幅值和实验方法使研究难以直接比较，番茄最佳非接触授粉策略尚未解决。作者假设：将声波长减小至花器毫米级尺寸可提高空气声压向机械振动转换；蜂振频率对应空气波长0.4–3 m，而花药管和花柱仅数毫米，低频空气声耦合差；40 kHz载波波长约8.6 mm，与花器尺寸可比。研究目的是据作者所知首次对聚焦、幅度调制空气超声（载波>20 kHz）下的番茄坐果进行温室定量评估，并与未处理对照和商用接触式装置平行基准。
关键技术方法：采用耦合有限元/边界元模型（FEM–BEM，分别求解花柱结构与周围声场）评估毫米级花器声–结构耦合；研制便携手持装置，集成两个SonicSurface开放硬件相控阵模块（2 × 256阵元，40 kHz载波），由ESP32与FPGA实现焦点相位控制及20 Hz–1 kHz幅度调制（AM）；用GRAS 40DD麦克风等测量声压级（SPL，声压有效值相对于参考声压的分贝表示）。温室样本为102株番茄（Solanum lycopersicum L.），种子为Ecoseedbank Canada提供的2025批次开放授粉、无限生长“beefsteak”型传家宝种子，供应商未注明确切品种；均分三组：未处理对照、VegiBee振动棒、超声，单模块0.1–0.3 m，同一操作者；200 Hz用于#1–#3（0.1、0.2、0.3 m），700 Hz用于#4（0.3 m），每花每次5 s，每晨处理开放花；坐果二元视觉评估，采用Wilson 95%置信区间、以植株为聚类的广义估计方程（GEE，处理重复测量相关性的回归）及整株自助重采样（bootstrap，通过重复抽样估计不确定性）核验。
3. 结果（原文无二级小标题）。通过温室四周年平行对照实验（718朵花、100株至少开一花）及聚类感知分析，聚焦超声在焦点高度局域，未观察到邻近花释粉；未处理对照平均坐果58%（周间变化有限），振动棒>94%，超声>90%（最高96.5%），平均低于振动棒2.9个百分点；700 Hz（#4，n=21）与200 Hz数值相似但置信区间宽。卡方检验显示超声和振动棒均显著不同于对照，而超声与振动棒差异不显著。GEE分析中株内相关可忽略（组内相关系数ICC=0.030，设计效应1.13–1.27），所有处理对比方向与显著性不变；整株bootstrap结论一致。植株水平上，两处理组坐果率中位数均100%，对照55.6%；33株超声中24株所有记录花坐果，34株振动棒中30株，33株对照中1株；超声组植株水平标准差0.20，高于振动棒0.04，且4株超声低于80%，振动棒无；第4周仅13株超声和11株振动棒贡献花，比较依赖少数聚类；植株率检验中超声与振动棒比较p约0.09–0.10。结论：在上述温室条件和距离下，单模块聚焦超声可获得高坐果率并接近振动棒，统计上未显示二者差异，但数据未证明二者等效。
4.1 坐果率表现。通过温室平行对照与统计比较，实验支持聚焦调制空气超声可驱动非接触番茄授粉的假设；两处理与对照差距大，二者差异不可区分于零，但其置信区间延伸至近7个百分点劣势，数据未证明等效。每周平行对照稳定，提供同周基线；但每个声学条件仅一周，条件与周完全混杂，距离或200/700 Hz差异不应解释为距离/频率响应。700 Hz与200 Hz数值相似提示高于蜂振范围仍可能有效，但n=21、置信区间宽，属探索性；载体与包络始终同施，不能区分载体主导或包络主导。与文献因频率、SPL和生物终点不同不可直接比较。
4.2 随距离与孔径的声学缩放。通过固定电驱动相控阵的实测SPL与一阶模型比较，焦点压力随距离因几何扩展、空气吸收、不完全相干和非线性谱重分布而下降；有效衰减系数约0.058–0.138 Np m
?1（0.5–1.2 dB m
?1）。单模块焦点平均RMS SPL对应温室实验的标称声学条件，约155 dB或更高时坐果>94.4%，但该值非实验确立阈值，更低SPL未测；双模块曲线示扩展有效范围的潜力。实验室固定位置测量与温室手持操作不同，标称距离和实验室SPL曲线不能解释为各花实际经历声压。
4.3 实际约束。通过物理分析，空气与植物组织声阻抗失配约3500，叶片等障碍反射超声造成遮挡；非线性谐波和空气吸收限制范围；现场观察提示约0.7 m有效工作范围可能满足实用部署，实验按此包络设计。安全上，已有研究提示40 kHz、接近140 dB暴露未见不良健康效应且离焦点迅速下降，但加拿大卫生部（Health Canada）建议110 dB保守限值；本原型未测操作者暴露，报告SPL为焦点输出而非暴露指标，宽带值不可直接与频带限值比较，需在操作位置及16–20 kHz范围测1/3倍频程。缓解包括屏蔽、联锁和占空比限制。与Arugga等压缩空气机器人喷嘴相比，超声装置无需车载空压机或压气供应，可由便携电池运行，可能利于系统简化、能量自治和机器人集成；机器人集成仍需导航、升至冠层和复杂视觉中的花检测。讨论总体认为，超声非接触授粉可作为接触式工具的潜在替代并可能减少对熊蜂蜂箱依赖，但证据限于初始坐果，未纳入熊蜂处理，不能量化相对蜂媒授粉性能，也未证明商业规模等效；遮挡、衰减和操作者安全仍是部署关键限制。
研究结论翻译：本工作表明，在温室条件下，使用由操作者瞄准的手持原型，超声相控阵可实现番茄花非接触授粉。据作者所知，该工作提供了聚焦、幅度调制空气超声下番茄坐果的首次定量温室评估，并与未处理对照和接触式装置平行基准。利用电子可转向焦点区，所提装置在单模块0.3 m以内工作距离中持续诱导花粉释放并获得>90%坐果率。这些结果提示，适当聚焦和调制的空气超声可能成为传统接触式授粉工具的潜在替代，并可能有助于减少对商用熊蜂蜂箱的依赖。然而，该证据涉及初始坐果，并未证明商业规模等效。熊蜂授粉未作为实验处理纳入，因此这些数据未量化相对于蜂媒授粉的性能。研究识别出若干限制，包括对叶片遮挡的敏感性、声压随距离快速衰减以及需确保温室工作人员安全暴露水平。本工作未测操作者暴露，原型的安全性和法规符合性仍待建立。由于单手持装置由一名操作者在持续开花作物上操作，完全随机、多条件设计在后勤上不可行。因此结果作为首次定量评估而非确定性验证呈现，未来验证性研究应考虑随机或平衡设计。此外，大规模部署可能需要集成到能导航温室行并可靠检测复杂视觉环境中花的机器人平台。未来发展方向包括优化声场控制、提高抗遮挡鲁棒性、量化代表性工作位置的操作者暴露，以及将实时花检测与机器人定位集成以实现商业温室全自动授粉。未来需用高速成像或激光测振进一步表征该授粉方法的生物力学机制。
