《Sensors and Actuators A: Physical》：Rayleigh-type surface acoustic wave-driven shooting for directional artificial pollination of strawberry flowers
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表面声波驱动人工授粉技术优化及草莓应用研究。采用瑞利型表面声波（RSAW）驱动喷射装置，通过频率扫描（19.5-50.0MHz）和电流调节（1000mA）确定最佳参数，喷射10-20次含洛氏粉末的授粉液，实现草莓受精率50%和33%的稳定成果，为无人机等移动平台集成提供新方法。
Shun Koda | Kosuke Wakayama | Sakura Takahashi | Yuta Kurashina
东京农工大学工学研究生院机械系统工程系，日本东京小金井中町2-24-16，邮编184-8588
摘要
为了实现自动、稳定的栽培，人们一直在积极研究人工授粉技术。对于草莓等高价值水果而言，手工授粉仍然是金标准。然而，手工授粉所涉及的物理接触在尝试将其集成到无人机等移动设备中以实现自动化和大规模栽培时带来了显著挑战。在这里，我们提出了一种利用瑞利型表面声波（RSAW）驱动的定向人工授粉方法。通过使用频率从19.5 MHz到50.0 MHz的RSAW设备，并使用与石松粉混合的液滴（作为花粉模型），研究了RSAW驱动授粉的最佳条件。考虑到草莓雌蕊的大小以及喷射距离的差异，确定使用39.0 MHz的频率和1000 mA的输入电流进行人工授粉最为有效。每个草莓雌蕊喷射10次或20次含有花粉的石松粉液滴。作为对照组，部分草莓通过手工授粉进行授粉。为了评估草莓果实的结实率，计算了受精瘦果与总瘦果的比例。结果表明，通过RSAW驱动的授粉确实能够实现果实形成，其中10次喷射时的结实率为50%，20次喷射时为33%。由于其轻便小巧的特点，预计RSAW驱动的人工授粉技术可以集成到各种移动设备中。
引言
食品安全是人类实现稳定繁荣的关键因素，正如可持续发展目标2“零饥饿”所强调的那样[1]。建立自动化的稳定栽培过程是通过不受环境影响确保作物稳定供应的有效途径[2]。为了实现稳定的自动化栽培，已经采用了多种技术来自动化作物生产的各个阶段，包括人工施肥[3]、移栽[4]、修剪[5]、授粉[6]和收获[7]。特别是在作物生产的每个阶段，与作物质量相关的高效人工授粉技术得到了广泛应用。草莓是一种需要高效人工授粉的高价值水果[8]。为了实现高效人工授粉，人们开发了使用Bonten羽毛束（BFB）[9]、喷雾[10]、肥皂泡[11]和风扇[12]等方法。如今，这些授粉方法已与车辆[13]、机械臂[14]和无人机[15]结合使用，以期实现移动化。尽管如此，由于BFB手工授粉对果实的选择性较高，它仍然是人工授粉的金标准。然而，手工授粉中的物理接触使其难以集成到无人机等飞行平台上，从而实现自动化、多层次的大规模栽培系统。
在这里，我们提出了一种利用瑞利型表面声波（RSAW）驱动的定向人工授粉方法（图1）。将含有花粉的高粘度溶液通过RSAW向前喷射到草莓花的雌蕊上。根据评估确定的最佳频率40.0 MHz和输入电流1000 mA，通过改变含有石松粉（LPP）的液滴喷射次数，实现了草莓花的人工授粉。经过10到20次喷射后，草莓果实得以形成（以BFB作为对照组）。草莓结果实后，通过计算受精瘦果与总瘦果的比例来评估其结实率。实验表明，RSAW驱动的授粉方法成功实现了草莓的结实。结果表明，10次喷射时的结实率为50%，20次喷射时为33%。由于其轻便小巧的特点，预计RSAW驱动的人工授粉技术可以集成到各种移动设备中。
RSAW设备的制备
RSAW设备是通过将指间换能器（IDTs）采用剥离法沉积在LN（氮化锂）基底上制备的。作为RSAW设备的压电元件，使用了经过127.86° Y向切割、厚度为0.5 mm的LN基底（Yamaju Ceramics，日本爱知县）[17]。在形成IDTs之前，先将LN基底切割成30 mm × 15 mm的大小，然后用Standard Clean 1方法进行清洗，随后用乙醇和丙酮进行超声处理。接着进行负性光刻胶（ZPN1150，108-65-6，9016-83-5）的旋涂。
RSAW设备的制备
为了研究RSAW设备的共振频率与液滴喷射距离之间的关系，制备了频率分别为19.5 MHz、30.0 MHz、39.0 MHz和50.0 MHz的RSAW设备，以产生不同的共振频率（图2a）。为了在19.5 MHz至50.0 MHz的频率范围内获得足够的低电阻，IDT的厚度设置为1200 ± 200 nm（图2b）。通过增加IDT的厚度，可以提高设备的电气性能。
讨论
在本研究中，对草莓花进行了RSAW驱动的定向人工授粉实验。根据在19.5 MHz至50.0 MHz频率范围内以及1%至6%不同浓度石松粉条件下的实验结果，选择39.0 MHz（图3d-g）和2%（图4b）作为最佳频率和浓度，因为这些条件下的效果变化较小。在这些条件下，通过RSAW驱动将含有石松粉的液滴喷射到草莓花的雌蕊上，实现了人工授粉。
结论
本研究提出了一种利用RSAW驱动进行的人工授粉方法。由于输入电流较低且LPP液滴的喷射效果变化较小，最终将RSAW驱动的授粉条件设定为频率39.0 MHz和输入电流1000 mA。经过RSAW驱动的授粉后，草莓成功结实。为了评估不同人工授粉方法的结实效果，计算了受精瘦果与总瘦果的比例。
作者贡献声明
Yuta Kurashina：撰写 – 审稿与编辑、方法论、资金获取、概念构思。
Kosuke Wakayama：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究。
Sakura Takahashi：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、方法论、概念构思。
Shun Koda：撰写 – 初稿撰写、可视化设计、方法论、实验研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了日本学术振兴会（JSPS）“培养日本顶尖研究型大学”计划（J-PEAKS）的资助（项目编号JPJS00420230003）。草莓栽培工作得到了R. Yamakawa、K. Matsubara、Y. Bando、R. Kawamae、H. Kozuki、D. Konosu、L. Mitsuda、K. Fujishiro、R. Konno和T. Yamamoto的支持。
Shun Koda于2024年在日本东京农工大学获得机械系统工程学士学位，目前正在同校攻读硕士学位。他的研究兴趣包括表面声波器件、生物医学器件和微纳制造技术。
