《Beverage Plant Research》：Research progress on picking/harvesting techniques, and equipment of tea shoots
茶树嫩芽采摘/收获技术的研发是茶业机械化升级的核心环节，技术突破对提升茶叶生产效率与品质至关重要。研究人员梳理了相关研究进展，结合农艺需求分析了不同类型装备的技术特点与应用场景。研究表明，大宗茶采摘/收获装备主要采用往复切割式（reciprocating cutting），可实现大规模作业，但存在茶芽损伤(publication尚未完成，请继续输出完整回复
损伤率相对较高、杂质含量较高、品质中等偏下等问题。名优茶领域，手持式采摘/收获装备通过优化采摘结构末端执行器（picking structure effector）及作业参数，显著提升了茶芽完整性，但仍依赖人工视觉识别与定位，智能化水平亟待提升。智能采摘/收获技术聚焦于茶芽识别、采摘点定位及仿生末端执行器（biomimetic end-effector）设计，虽在茶芽识别能力方面取得突破，但仍存在三大瓶颈：装备集成度相对较低、故障率偏高、效率较人工采摘偏低，制约了产业推广。未来应优先研发智能化、轻量化、模块化装备，推进农机与农艺融合，建立涵盖装备、农艺措施及作业流程的统一标准体系，以促进采摘/收获装备的实用化应用，为茶业机械化与智能化转型提供技术支撑和理论基础。
茶树嫩芽采摘/收获技术与装备研究进展
**1 引言**
茶叶作为全球三大饮品之一，以其独特的文化内涵和健康价值覆盖160余个国家、惠及30亿人口。中国作为茶文化发源地与茶业核心区，2024年干毛茶产量达349万吨，产值超3200亿元，连续十年位居全球首位。茶业不仅是文化传承载体，更在乡村振兴中发挥关键作用。然而，茶树嫩芽采摘环节的技术分化显著制约产业升级：大宗茶生产依赖机械化采收提升效率，但传统往复切割式（reciprocating cutting）采茶机存在采摘茶芽完整率较低的问题，仅能满足粗茶原料需求；名优茶因采摘标准严苛，仍高度依赖人工采摘，面临劳动力短缺与品质波动的双重挑战。随着全球人口老龄化及农业劳动力结构转型，实现"机器换人"成为茶业可持续发展的必然选择。
当前采摘技术呈现三元发展路径：大宗茶领域以往复切割式为代表的机械化设备（单人背负式、双人抬采式、乘用式采茶机）通过提效降本在平地与缓坡茶园广泛应用，但受"无差别采摘"原理制约，无法满足名优茶品质要求；名优茶领域形成"手持式—智能式"技术梯度，手持采摘设备作为丘陵茶园过渡方案，较传统人工作业效率有所提升；智能采摘技术（integrating AI and bionic design: "perception-decision-execution" system for automated, precise, low-damage tea shoots picking）试图突破"选择性采摘"瓶颈，但受限于丘陵复杂地形适配行走底盘缺失及作业效率与设备成本的平衡未达产业实用要求，尚未广泛推广。
**2 茶树嫩芽采摘农艺要求**
采摘是茶叶加工的关键环节，从茶树采摘的芽、叶及嫩茎统称为鲜叶，是加工各类茶叶的原料。鲜叶通常依据采摘位置差异进行分级，主流茶类按采摘标准可分为名优茶、大宗茶及特种茶三大类。名优茶生产注重茶树顶端的细嫩茶芽，要求采摘初展的一芽一叶或单芽，鲜叶须保持形态完整且无机械损伤，以确保成品茶外形匀整与内质活性，因此仍高度依赖人工精准采摘。大宗茶生产倾向大规模采摘，主要目标为一芽二至三叶，其原料允许老叶适度混杂，该标准与机械化切割式采摘具有较高兼容性，使大宗茶成为茶业机械化主突破口。特种茶（如乌龙茶）则需在茶芽生长至特定成熟度时采摘，通常于茶芽长至三至五叶、顶叶展开60%–70%时采下二至四叶，此时茶叶已积累充足内含物质，呈现独特风味与香气。不同茶类的采摘标准差异本质上反映了"品质管控与生产效率"的双重产业权衡，名优茶对茶芽完整性的严苛要求与机械化采摘的效率优势形成核心矛盾。
**3 大宗茶采摘技术与装备**
茶树嫩芽采摘装备按工作原理可分为折断式与切割式两类，折断式因采摘完整率低、易损伤茶树已逐步淘汰，切割式因作业效率高成为大宗茶采摘主流技术，主要包括往复切割式、螺旋滚刀式及圆盘刀式，其中往复切割第一场合作设备（single-person backpack type, two-person hand-carried tea harvesters, and ride-on tea harvesters）降低成本，广泛应用于平地及缓坡茶园，单人背负式亦可适用于丘陵山地茶园；但受"无差别采摘"原理制约，无法满足名优茶品质要求。名优茶领域形成"手持式—智能式"技术梯度，手持采摘设备（manually held small- and medium-sized picking machines）便携灵活、结构针对名优茶优化，适用于零散丘陵/山地茶园，需人工持握操作，较传统人工作业效率有所提升，成为丘陵茶园过渡解决方案。智能采摘技术基于视觉识别试图突破"选择性采摘"瓶颈，但因配套行走底盘难以适配丘陵山地复杂地形、核心应用场景覆盖受限，且作业效率与设备成本平衡未达产业实用要求，制约技术大规模推广。
在此背景下，研究人员系统梳理茶树嫩芽采摘技术演进，按应用场景分为三节论述：首先分析大宗茶采摘机械化进展，包括单人便携式、双人协同式及乘用式设备的原理与适用性；其次探讨名优茶手持采摘技术如何实现人工采摘的效率提升与品质保持，降低对熟练劳动力依赖；最后聚焦名优茶智能采摘核心突破，包括茶芽识别、采摘点定位及仿生末端执行器设计，旨在揭示"效率—品质"平衡的技术逻辑，为破解采摘环节产业痛点提供理论参考与创新路径。
**2 茶树嫩芽采摘农艺要求**
采摘是茶叶加工的关键环节，从茶树采摘的芽、叶及嫩茎统称为鲜叶，是加工各类茶叶的原料。鲜叶通常依据采摘位置差异进行分级，目前主流茶类按采摘标准可分为名优茶、大宗茶及特种茶三大类。
具体而言，名优茶生产注重茶树顶端的细嫩茶芽，要求采摘初展的一芽一叶或单芽，此类鲜叶须保持形态完整且无机械损伤，以确保成品茶外形匀整与内质活性，因此名优茶生产仍高度依赖人工精准采摘。大宗茶生产倾向大规模采摘，主要目标为一芽二至三叶，其原料允许老叶适度混杂，该标准与机械化切割式采摘具有较高兼容性，使大宗茶成为茶业机械化主突破口。特种茶如乌龙茶，茶芽需发育至特定成熟度方予采摘，通常于茶芽长至三至五叶、顶叶展开60%–70%时采下二至四叶，此时茶叶已积累充足内含物质，呈现独特风味与香气，其采摘标准需平衡叶片展开度与韧性。不同茶类采摘标准差异本质上反映了"品质管控与生产效率"的双重产业权衡，名优茶对茶芽完整性的严苛要求与机械化采摘的效率优势形成鲜明对比，此标准梯度正是制约茶树嫩芽采摘技术发展的核心矛盾。
**3 大宗茶采摘技术与装备**
茶树嫩芽采摘装备按工作原理可分为折断式与切割式两类，折断式因采摘完整率低、易损伤茶树已逐步淘汰，切割式因作业效率高成为大宗茶采摘主流技术，主要包括往复切割式、螺旋滚刀式及圆盘刀式，其中往复切割式应用最为广泛。
往复切割式采茶机作为大宗茶生产核心装备，其核心工作原理基于双动刀片组的高频往复运动：动力驱动刀片组切入茶芽基部，配合离心风机或集叶装置完成"切割—收集"一体化作业。
单人采茶机（含手持式与背负式）按动力源分类。手持式以电动机驱动，由偏心机构、切割刀片及收集箱组成，通过上下偏心轮180°错相布置驱动刀片相对运动实现切割，结构轻便、操作灵活，适合小规模茶园或山地茶园，但受采摘幅宽与续航制约，效率提升有限。背负式（如NV60H型）以汽油机驱动，经软轴将动力传递至偏心机构与风机，切割后茶芽由风机吹入收集袋，采摘幅宽可达60 cm，单机日作业量0.25 hm
2，但机身较重增加人体负荷，且需辅助人员处理收集袋，操作便利性不足。两类均基于往复切割原理，适用于树冠齐整的丘陵茶园。
双人采茶机通过双人协作提升作业效率。典型机型（如SV-100型）采用手抬式结构，配备汽油机驱动的往复切割刀片及风机集叶系统，采摘幅宽扩展至100 cm，单机日作业量0.6 hm
2，适用于梯田及缓坡茶园。其工作原理为：主副操作手协同控制切割角度与行进方向，汽油机动力经减速机构驱动刀片高频往复运动，同时风机产生气流将鲜叶输送至收集袋。此类设备通过增加切割宽度提升效率，但需额外人员辅助鲜叶收集，且笨重机身易造成操作疲劳，限制长期连续作业能力。
乘用式采茶机通过动力底盘实现自主行走，集成切割、集叶及地形适应功能，代表大宗茶高效采摘方向。典型机型KJ4N履带式采茶机以柴油机驱动（整机质量1,370 kg），作业能力达0.1 hm
2/h，可通过更换刀片实现采摘与轻修剪功能，适用于坡度<15°、行距≥1.8 m的标准化茶园，技术特点包括全液压驱动转向系统及仿形切割装置（刀架高度调节范围30–80 cm）。但该设备对茶树树冠平整度要求严苛，仅适用于标准化茶园。而中国丘陵山地茶园坡度大、行间垄沟不平、行距多变、树冠不规则，乘用式设备难以适配。
为进一步提升采摘效率，研究人员设计了轻量化自走式多模块快换装置，实现采摘、修剪、耕作模块的快速拆装，降低综合使用成本；另有设备配备超声波测距及仿形系统，通过检测茶树冠层高度驱动丝杠滑台调节切割高度以实现仿形采摘，但自然环境中声波干扰易产生检测误差，需整合视觉传感器进一步提升识别精度。从多功能集成及高精度采摘视角，两类设备进一步提升了乘式采摘机械竞争力，为大规模大宗茶采摘装备设计研发提供新思路与方向。
当前大宗茶采摘技术已形成"便携式—协同式—自走式"技术梯度，满足
不同规模茶园的机械化需求：手持式与背负式适用于零散茶园，双人采茶机平衡效率与成本，乘用式实现大规模作业突破。但现有往复切割式为主的设备存在"无差别采摘"特征，导致鲜叶杂质含量率较高、品质较差，显著影响成品茶色味；且固定切割高度无法适应茶芽成熟度差异，造成老叶及枝条混杂，所采鲜叶仅能满足粗茶原料标准。此类技术特征导致的"效率—品质"矛盾，使现有设备虽能满足大宗茶生产效率要求，却无法达到名优茶品质标准。产业实践中"大宗茶机采+名优茶手采"的混合模式仍未能有效解决高档茶叶生产的劳动力依赖。未来大宗茶采摘技术研发应聚焦智能仿形、低损采摘及轻量化材料，攻克复杂冠层下精准切割控制难题，以平衡效率提升与品质保障，适应全球多样化茶园环境与种植模式。
**4 名优茶手持采摘技术与装备**
名优茶作为茶业高档产品，凭借 quality 能独特品质与文化内涵占据重要市场地位。其对原料的严苛要求——如西湖龙井要求"初展的一芽一叶"——使传统人工采摘成为主流方式。但人工采摘面临多重挑战：劳动力短缺导致采茶工成本高企，且存在品质波动。相较之下，大宗茶采摘虽已基本实现机械化，具备高效低成本优势，但存在明显缺陷：往复切割刀片不仅易产生碎叶，还会严重损伤切割面细胞，加速鲜叶氧化，且无法对采摘鲜叶分级，难以满足名优茶生产需求。在此背景下，手持采摘设备以其便携性、灵活性及相对较低成本，成为替代人工采摘、提升采摘效率、保障茶芽完整性与品质稳定性的关键研究方向。
部分研究人员尝试将往复切割式采茶机应用于名优茶采摘，通过优化刀具参数实现突破。Du基于茶园地形及国内机械应用现状，设计了双动刀片往复式切割器，利用Adams运动仿真及响应面法系统分析齿距、齿高、切割速度指数等参数对采摘性能的影响，确定最优参数组合为齿距20 mm、齿高19 mm、切割速度指数1.05，对应性能指标为一次切割率76.45%、重切率21.34%、漏切率2.50%，田间验证仿真值与实测值误差分别低于6%（一次切割率）和2%（漏切率），为便携式切割器参数优化提供理论基础。Wang针对丘陵山地茶叶采摘需求，以'毛'茶树为研究对象，通过测量茎秆力学特性指导便携式电动采茶装置设计，优化双动刀片切割器参数。台架试验表明，当切割速度指数为1.05、切割角为0时，漏切率低于3%，茶芽完整率高于80%，有效平衡效率与品质。上述研究通过结构参数优化及茶茎力学特性分析，显著提升了手持采摘设备的作业精度与茶芽完整性，为切割器设计提供关键理论依据与参数优化路径。
在仿生结构设计领域，受人工"掐采"动作启发，Wang等开发了柔性采摘机构，利用鲜叶与老叶在生长高度、断裂强度等物理特性差异，通过上下表面摩擦实现采摘。经动态仿真筛选柔性材料并构建样机验证性能：在3.0 N采摘力下鲜叶采摘完整率约40%，老叶误采率7%、损伤率5%，采摘效率1.44 kg/h，且鲜叶断裂位置与人工采摘一致。柔性材料应用有效降低了机械损伤，展现出保护名优茶采摘品质的潜力，但该技术高度依赖采摘力等工况参数，复杂冠层环境适应性有待验证。Jia等设计了名优茶茶芽手持式采摘机械手，模拟人工采茶动作，由喂入机构、采摘机构及舵机组成，通过运动分析确定关键影响因素，采用Box-Behnken响应面法建模优化，获得磁钢间距等参数组合。试验验证其采摘成功率达74.3%，平均速度25.2芽/分钟，误差低于5%，为丘陵山地名优茶低损采摘提供新方案，但其机械结构及控制算法复杂度较高，对设备轻量化设计及能耗控制提出更高要求。上述两研究分别从材料柔性与机械控制视角，在低损采摘与适应性方面取得进展，但采摘效率及复杂环境适应性仍有优化空间，为后续手持设备精细化设计提供差异化技术参考。
在结构创新方向，需解决传统采摘末端执行器功能单一、适应性差的问题，研究人员从气动动力学、形态适应性、流场优化及功能集成等路径开展创新。Zhu等提出负压导引采摘末端执行器，通过0.6–0.9 kPa负压场实现茶芽实时姿态校正，其"锥形采摘管+涡旋吸附"独特设计在管内形成螺旋气流，可将10 mm偏差范围内的捕获成功率提升至97.36%。基于'Y形'茶芽物理模型的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）仿真显示，当叶片间距≤30 mm、水平偏差≤10 mm时，负压导引成功率可达100%的理论最大值。该团队于试验茶园开展验证，复杂冠层环境下CFD仿真与田间试验的高度一致性验证了理论可靠性，为复杂冠层高效采摘提供理论支撑与实践验证，但该技术对叶片间距及空间偏差阈值要求较高，在生长极茂密或紊乱冠层中的适应性可能受限。Chen等针对侧芽生长角度多变问题开发的分解式切割器末端执行器，采用可变形分切齿结构，配合视觉识别系统精准定位侧芽，实现顶芽采摘成功率93%、侧芽63%。顶芽与侧芽采摘成功率的差异反映其针对茶树形态的针对性设计，但侧芽与顶芽成功率的差距表明技术对复杂生长角度的适应性仍有提升空间。螺纹管吸附采摘末端执行器创新性地将负压与螺纹流导引结合，通过Fluent仿真优化内部流场分布，将茶叶收集效率从72%提升至98%。但流场仿真优化的复杂结构可能增加设备制造维护成本。旋转双工位一体式名优茶采摘收集末端执行器通过末端180°正反转循环实现采摘与暂存功能无缝切换，采用双电机独立驱动系统，采摘与收集动作切换时间短，并选用邵氏硬度30HS的硅胶材料，表面设计凸结构有效降低茶芽表面摩擦损伤率。通过双功能切换与柔性材料应用，实现了采摘效率与损伤控制的平衡，其短切换时间与低摩擦设计展现工程应用潜力，但双电机驱动系统的能耗控制及凸结构耐久性仍需长期田间作业验证。Lin等优化设计的欠驱动末端执行器更具突破性：通过拓扑优化将总杆长缩短25.33%，结合自适应夹持算法，在夹持位置4–8 mm、生长角度70–90°的工况下操作成功率稳定在93.30%–95.00%，平均采摘时间仅0.64 s，接近熟练人工水平。其轻量化设计与快速操作能力突出，但对更广感慨夹持位置及生长角度的适应性仍需更多田间试验验证。上述研究通过气动动力学、形态适应性、流场优化及功能集成等路径推动创新，共同推动名优茶智能采摘末端执行器向精准化、低损化发展，同时暴露了复杂茶园环境中设备可靠性与工况适应性的技术平衡挑战。
虽然上述研究在结构创新、机械优化及功能集成方面取得突破，但名优茶智能采摘末端执行器仍面临多重挑战：部分末端执行器因多自由度机械臂、复杂传感器集成或双功能复合结构导致零部件数量增加，装配精度要求引发的设备故障率上升；机械采摘动作链中感知—决策—执行过程的累积延迟，使单次操作周期与熟练人工采摘存在显著效率差距；自然环境中光照强度突变、冠层密度变化及茶芽生长角度随机性，易造成视觉识别误判与末端执行器动作延迟，导致复杂工况下采摘稳定性不足。未来研究应进一步深化柔性材料应用，优化仿生结构设计，加强多传感器融合技术研发，推动智能采摘末端执行器向高效、低损、可靠的产业化方向发展。
**6 存在问题**
尽管茶树嫩芽采摘机械技术取得阶段性进展，新装备与技术逐步推广，但产业发展仍面临结构性与技术性瓶颈。
大宗茶采摘设备方面，存在结构创新与智能化不足。往复切割式虽为采摘主力，但采摘品质较差（茶芽完整率普遍低于80%），易造成茶芽二次损伤；采摘过程中鲜叶分级及成熟度判断等环节仍依赖人工，机械自动化与智能化水平不足。
手持采摘设备领域，虽结构优化使采摘茶芽完整率提升（接近90%），但智能化水平仍显著滞后。多数设备依赖人工识别茶芽成熟度与位置，限制实际作业效率；从机械设计角度，手持设备人体工学设计存在缺陷（普遍质量超过1.5 kg），长期作业易致操作者疲劳。此外，现有研究多孤立优化切割效率或收集功能，缺乏"识别—采摘—收集"全流程协同设计，导致环节衔接损耗、整体效率降低。同时，茶芽采摘农艺需求与手持采摘设备设计存在脱节，农机农艺融合度低。
智能采摘技术虽在智能识别、仿生采摘末端执行器及功能集成方面取得突破，但与产业应用仍有差距（单机成本超30万元，仅能替代1–2人）；部分末端执行器因结构复杂故障率高（采摘成功率低于80%），单次采摘耗时较人工无明显效率提升（熟练工人工单芽采摘约1 s，现有主流设备普遍超过2 s）。复杂环境中光照强度变化、叶片交叠等因素扩大视觉定位误差，导致采摘成功率下降；且多数技术聚焦实验室性能验证，田间适应性试验覆盖度低，难以满足实际生产需求。
部分地区农机农艺融合度低。日本等产茶国已基本实现机械化，而中国部分茶园存在行距范围与现有自走式采摘设备适配行距明显冲突，设备难以顺畅开展大规模作业；名优茶种植普遍采用的栽培方式导致茶树冠层结构复杂，现有批量采摘设备难以适应，进一步制约机械化装备推广应用。
**7 发展趋势与建议**
为满足茶业高质量发展需求，茶树嫩芽采摘技术与装备需围绕智能升级、轻量化及模块化改进、标准体系建设及跨学科融合等方向进行系统创新。具体可从以下维度推进：
强化智能采摘技术研发。依托人工智能与深度学习技术，构建"感知—决策—执行"一体化智能采摘系统。通过开发高适应性识别算法及轻量化采摘末端执行器，实现鲜叶智能识别与选择性采摘。针对采摘效率低、品质差、末端执行器故障率高等问题，设计低自由度、轻量化柔性末端执行器，将单臂采摘时间缩短至1.5 s以内；利用多模态传感器与仿生柔性材料优化末端执行器，降低茶芽损伤率；简化末端执行器结构，选取高可靠性轻量化零部件提升稳定性，探索多机械臂协同模式，通过空间布局优化与运动轨迹规划提升整体采摘效率。针对手持采摘设备智能化不足及全流程衔接不畅问题，利用多传感器融合技术实时获取茶树冠层数据，实现茶芽成熟度与位置自动识别，动态调整切割参数，提升手持设备采摘质量与效率；加强"识别—采摘—收集"全流程协同设计。针对大宗茶采摘设备智能化不足及品质差问题，升级往复切割器仿生刃口降低二次损伤，整合机器视觉实现茶叶成熟度评估与自动分级。针对复杂环境定位误差大、田间适应性差问题，开发多模态融合识别算法增强抗干扰能力，提升采摘成功率；拓展覆盖不同地形、气候及茶品种的田间试验，对装备及算法迭代优化。
推进装备轻量化与模块化改进。将人体工学理念融入手持采摘设备设计，优化整体质量与配重实现轻量化，降低长期作业疲劳，提升设备操作稳定性。针对丘陵山地茶园地形复杂、地块零散特点，开发窄幅便携式自走采茶机，通过可调底盘、自适应仿形架及快换接口，实现采摘、修剪、施肥等多作业功能的模块化集成。
完善标准体系与产业协同。开展采摘装备与栽培措施融合研究，加快制定采摘机械、种植农艺及作业流程统一标准，建立"农机农艺融合示范区"。规范茶树修剪、冠型等宜机化参数，为装备推广提供标准化场景。
通过上述措施，茶树嫩芽采摘技术将在智能化、轻量化及适应性方面取得突破，助力茶业不同规模茶园、不同采摘标准下机械化水平整体提升。
