李宗耕 楊其長 沙德劍 馬 偉

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610299)

植物工廠是在密閉或者半密閉條件下通過高精度的環(huán)境控制，實(shí)現(xiàn)作物在垂直立體空間上周年計劃生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，因其技術(shù)高度密集，被公認(rèn)為是設(shè)施農(nóng)業(yè)的最高發(fā)展階段，成為衡量一個國家農(nóng)業(yè)技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。植物工廠的種植方式主要以水培為主，即將作物直接種植在營養(yǎng)液中。水培是一種新型的無土栽培方式，通過種植杯(籃)和栽培板等使植物根系生長于營養(yǎng)液中。與土壤栽培相比，水培的養(yǎng)分供應(yīng)更加迅速、均衡和充足，有利于植物吸收，并可根據(jù)營養(yǎng)液中的養(yǎng)分消耗，及時地補(bǔ)充相應(yīng)營養(yǎng)元素，被廣泛地應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)，特別是葉類蔬菜。水培葉菜的生長速度是土壤種植的2倍以上，單位土地利用效率是土壤種植的幾十倍甚至上百倍，因此水培葉菜技術(shù)將是我國農(nóng)業(yè)4.0時代的重要組成部分與呈現(xiàn)形式。

我國是世界第一大蔬菜生產(chǎn)國和消費(fèi)國，2018年全國蔬菜種植面積突破2 000萬km，產(chǎn)量達(dá)7億t以上；其中葉菜類種植面積占比高達(dá)30%以上，約占總產(chǎn)量的1/3。葉類蔬菜強(qiáng)有力地支撐了“菜籃子”工程，是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?。而水培葉菜可以根據(jù)其種植的品種和生長階段來調(diào)控營養(yǎng)含量，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的精準(zhǔn)供給，從而確保蔬菜的品質(zhì)與口感，兼具環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，更符合當(dāng)下人們對于有機(jī)、綠色、安全的食品訴求，并已得到大面積的推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)京東、喜萃和中科三安等公司都建立了水培葉菜工廠，為市場提供新鮮安全的蔬菜。

水培葉菜生產(chǎn)工藝流程清晰有序，分工明確，生產(chǎn)全流程主要包括播種、育苗、定植和收獲等步驟，而目前國內(nèi)所有的水培葉菜工廠均無法實(shí)現(xiàn)全程高效地機(jī)械化和自動化生產(chǎn)，僅在播種環(huán)節(jié)有一定的機(jī)械應(yīng)用，其他環(huán)節(jié)配套的機(jī)械裝備多處在研發(fā)試驗(yàn)階段。而大型化、多層化葉菜工廠的建立以及用工成本等因素促使產(chǎn)業(yè)升級改造，傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)方式將逐步被取代，機(jī)械化、自動化、現(xiàn)代化的葉菜工廠更符合社會和企業(yè)發(fā)展需求，水培葉菜工廠的全程機(jī)械化將是實(shí)現(xiàn)葉類蔬菜高效工廠化生產(chǎn)的唯一途徑。

1 水培葉菜播種機(jī)械研究現(xiàn)狀

隨著大型水培葉菜工廠的建立，傳統(tǒng)的人工手播已無法滿足葉菜工廠的生產(chǎn)需求，播種機(jī)的應(yīng)用顯得尤為重要。當(dāng)前水培葉菜主要有2種不同的播種方式，一種是將種子直接播到育苗海綿中；另一種則是播到育苗基質(zhì)中，這需要借助育苗杯、定植籃或穴盤來完成。目前，國內(nèi)鮮有海綿播種機(jī)的研究報道，大多數(shù)研究主要集中在第二種播種方式上，也就是穴盤播種。

我國自動化穴盤播種技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)80年代在引進(jìn)國外穴盤播種生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上進(jìn)行吸收改造設(shè)計，開發(fā)了ZXB-360和ZXB-400精量播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了穴盤的自動化播種。“八五”期間，蘇海泉研制了ZKB-400穴盤播種機(jī)，播種效率可達(dá)360盤/h，播種合格率在96%以上，但該播種機(jī)只適用于中等大小的丸粒化種子。1997年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)機(jī)化研究所研制了一種氣吸式穴盤精量播種機(jī)2QB-330，該機(jī)器能夠滿足每穴1～2粒的播種需求，通過更換吸種板，可實(shí)現(xiàn)不同類型蔬菜種子的精量播種，但該機(jī)械的播種合格率低，僅為90%左右。趙立新等研制的針式精量播種機(jī)BZ-200，采用負(fù)壓針式吸種，可實(shí)現(xiàn)每穴1～5粒的自動化播種，并可通過更換吸種針頭實(shí)現(xiàn)不同類型蔬菜的播種，播種合格率在95%左右。廣州綠翔機(jī)電公司研發(fā)的2BS-6氣力式滾筒穴盤播種機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對0.7～2.0 mm小粒種子每穴1粒的精量播種，播種合格率在95%以上，生產(chǎn)效率可達(dá)600盤/h。胡建平等設(shè)計了一種磁吸式精密播種機(jī)，播種前先用磁粉對種子進(jìn)行包衣處理，依靠電磁吸頭實(shí)現(xiàn)對種子地吸取，并可通過調(diào)節(jié)磁力大小來控制播種量和播種精度，對小白菜種子的單粒播種率可達(dá)90%，播種效率為300盤/h。為實(shí)現(xiàn)小粒徑蔬菜種子穴盤精量播種，楊昌敏等研發(fā)了一種滾筒氣吸式精量播種機(jī)，對于128孔的穴盤，播種效率可達(dá)840盤/h，單粒合格率為94%左右，能夠滿足自動化穴盤精量播種的需求。隨著市場的發(fā)展，國內(nèi)出現(xiàn)了一批園藝裝備企業(yè)，其中以杭州賽得林、鶴壁創(chuàng)祺、上海矢崎和浙江博仁工貿(mào)的播種機(jī)械較有代表性。但這些企業(yè)仍處于發(fā)展階段，缺乏龍頭企業(yè)引領(lǐng)，播種機(jī)械的普及與應(yīng)用度不高，僅在大型連棟溫室生產(chǎn)中有所應(yīng)用。

國外對穴盤播種機(jī)的研究較早，技術(shù)相對成熟，自動化程度高，播種效率高。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外的播種機(jī)械商業(yè)化應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，例如美國的Blackmore和Seederman、英國的Hamilton、意大利的Mosa、荷蘭的Visser和韓國的Helper等公司的產(chǎn)品較為知名。Blackmore公司開發(fā)的Stretch PLC滾筒播種機(jī)，可通過切換不同的滾筒和吸種口，實(shí)現(xiàn)多種蔬菜種子的播種，能在5 min內(nèi)完成滾筒切換，5 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)吸種口切換，切換效率高，播種效率高達(dá)1 200盤/h。美國Seederman公司專為小型溫室開發(fā)了GS系列針式播種機(jī)，其中GS1式半自動播種機(jī)，播種效率可達(dá)到120盤/h(288穴/h)，該播種機(jī)不需要消耗電能，工作部件均由壓縮空氣來驅(qū)動；GS2和GS3(圖1)為全自動針式播種機(jī)，與GS1相比效率更高，工作性能更穩(wěn)定，播種效率為180盤/h(288穴)。英國的Hamilton公司研發(fā)的HNS3型氣吸滾筒式播種機(jī)，能夠適用于市面上大多數(shù)的穴盤和蔬菜種子，通過安裝在播種機(jī)上的雙重滾筒和每個滾筒上2種不同吸嘴，可同時對2種不同的穴盤實(shí)現(xiàn)單行、雙行或者多行播種，播種效率為700盤/h。意大利Mosa公司的Line系列播種生產(chǎn)線具有極強(qiáng)競爭力，在系統(tǒng)中配備了公司獨(dú)有的模塊化系統(tǒng)，其中Line1400(圖2)能夠通過電子系統(tǒng)來控制全部的工作部件，播種效率高，可達(dá)1 400盤/h。圖3是荷蘭Visser公司開發(fā)的一種機(jī)器人播種機(jī)，主要用于小批量種子的播種，其能通過自身軟件編程來確定不同穴盤的播種位置，并可以將不同種類的蔬菜種子同時播種到一個穴盤中。韓國Helper公司開發(fā)的SD系列播種機(jī)，能將各類型種子播種到不同穴盤中，并可根據(jù)種子大小和類型改變噴嘴大小，其中SD-900 W型播種機(jī)播種效率可達(dá)400盤/h(128穴/h)。

圖1 GS3型全自動針式播種機(jī)Fig.1 GS3 automatic needle seeder

圖2 Line1400型播種機(jī)生產(chǎn)線Fig.2 Line1400 seeder production line

圖3 機(jī)器人播種機(jī)Fig.3 Robot seeder

為了實(shí)現(xiàn)對不同類型種子的精密播種，國內(nèi)外對播種機(jī)的核心部件排種器進(jìn)行了大量的研究。國外研究者通過采用響應(yīng)面法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和高速攝像等對排種器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)吸種針孔的自動收縮與擴(kuò)大，從而解決不同粒徑種子的通用性難題。同時，國外研究人員也將智能化和信息化技術(shù)應(yīng)用到播種機(jī)的研發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)更加高效、精密的播種提供了可靠的技術(shù)，便于播種機(jī)的管理、維護(hù)和信息共享。國內(nèi)對播種機(jī)的關(guān)鍵部件也開展了創(chuàng)新性研究，對排種器吸、排種子的過程建立力學(xué)模型，分析影響吸、排性能的因素，同時也對蔬菜種子的粒徑等物理特性和播種機(jī)的控制系統(tǒng)展開了研究，通過遙控控制和激光導(dǎo)航等自動控制方式，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的智能控制。

2 水培葉菜移栽定植機(jī)械研究現(xiàn)狀

隨著時間的推移，穴盤中種苗逐漸長大，因此需要將種苗移栽到間距更大的栽培板上。生產(chǎn)中的移植作業(yè)基本以人工為主，勞動強(qiáng)度大、效率低。

國外早期移栽機(jī)械是通過在成熟的工業(yè)機(jī)器人搭載末端執(zhí)行器來進(jìn)行移栽作業(yè)。1987年，Kutz等在溫室里借助Puma56機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對苗床植物的移栽作業(yè)，并通過計算機(jī)仿真，確定了機(jī)器人移動的“L”型最佳路徑，取苗成功率在96%左右。而后，Ting等提出了一種慢加速脫盤和快加速提取的取苗方式，并設(shè)計了一種滑針式取苗末端執(zhí)行器，執(zhí)行器通過上下垂直移動靠近穴盤幼苗，執(zhí)行器上的夾取針斜插入基質(zhì)，而后在機(jī)械臂的帶動下將穴盤苗取出，當(dāng)末端執(zhí)行器的加速度固定在526 mm/s時，取苗的成功率為95.4%。2002年，Choi等設(shè)計了一種取苗機(jī)械手，該裝置以五連桿機(jī)構(gòu)為主，采用指針夾取方式取苗，種苗的拾取速度能夠達(dá)到1 800 株/h，這標(biāo)志著國外對于移栽機(jī)末端執(zhí)行器的研究已經(jīng)十分成熟。此外，Tai等在溫室種苗移栽機(jī)中植入了視覺檢測系統(tǒng)，能夠自動識別穴盤內(nèi)幼苗的位置并判斷其健康狀況，將識別的結(jié)果轉(zhuǎn)化成計算機(jī)語言，反饋給移栽機(jī)器人輔助其完成移栽工作，從而實(shí)現(xiàn)智能化的移栽。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步和大量資金的投入，國外的移栽機(jī)器獲得了較好的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的應(yīng)用，其中以荷蘭Visser Horti Systems公司的Pic-O-Mat系列和意大利Urbinati公司的RW系列最為著名。Visser公司的Pic-O-Mat GR-2700型移栽機(jī)(圖4)采用了高分辨率位置反饋和伺服控制系統(tǒng)，擁有24個獨(dú)立的伺服控制抓爪，并配備了伺服驅(qū)動的夾持器能夠保證高速精確的移動與夾持；而且內(nèi)部自帶多種移植組合程序，可通過觸摸屏現(xiàn)場編程實(shí)現(xiàn)不同作物的移植組合，工作效率可達(dá)45 000株/h。Urbinati公司的RW64(圖5)無線移栽機(jī)配備了72個夾持器，采用無線電機(jī)驅(qū)動，并帶有22 cm (8.4英寸)彩色觸摸屏，可現(xiàn)場進(jìn)行編程與自診斷，減少維護(hù)，無線獨(dú)立電動抓爪具有更好的靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)單排或雙排移植，移植效率為50 000株/h。

圖4 Pic-O-Mat GR-2700型移栽機(jī)Fig.4 Pic-O-Mat GR-2700 transplanter

圖5 RW64型無線移栽機(jī)Fig.5 RW64 wireless transplanter

國內(nèi)有關(guān)移栽機(jī)械的研究始于20世紀(jì)90年代，孫廷琮等率先對穴盤移栽機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。2005年，孫剛等設(shè)計了一種龍門式生菜移栽機(jī)，采用氣動驅(qū)動移苗爪，運(yùn)用μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)的16位控制器作為核心控制系統(tǒng)，但該移栽機(jī)的移苗機(jī)構(gòu)和移苗手不夠完善，各機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不足；而后強(qiáng)麗慧等對該機(jī)械進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，首次采用了傾斜插縮-垂直取放的移苗方式，改用PLC的自動移苗控制系統(tǒng)，并在機(jī)械上添加了光電傳感器對穴盤進(jìn)行定位，改進(jìn)后的機(jī)械穩(wěn)定性得到改善，移植效率可達(dá)人工移植的3倍左右，但該機(jī)械只能適用于深液流的浮板栽培，通用性差，無法實(shí)現(xiàn)智能化，未能得到推廣應(yīng)用。2007年張詩等通過ADAMS對移栽機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真研究，確定了最優(yōu)的運(yùn)動速度，為移苗機(jī)械手的試制提供了理論支撐。隨著技術(shù)的發(fā)展，研究人員將視覺技術(shù)應(yīng)用到了移栽機(jī)及其性能優(yōu)化上面。浙江大學(xué)的蔣煥煜等通過移栽機(jī)上的視覺技術(shù)對種苗進(jìn)行圖像識別與定位，判別種苗的健康狀況是否適合移植，并根據(jù)番茄幼苗的特性，設(shè)計了鏟式抓取手指，抓取成功率在82%左右，但是該種方式會造成一定程度的根坨損傷。賀磊盈等通過機(jī)器視覺來規(guī)劃末端執(zhí)行器的路徑，解決了移栽機(jī)作業(yè)過程中的葉片重疊問題，提高了工作效率。張麗華等設(shè)計了一種新型氣動移栽機(jī)，通過伺服電機(jī)、滑軌和鏈傳動的方式實(shí)現(xiàn)取苗爪的水平與垂直運(yùn)動，移栽機(jī)一次能夠移植4棵幼苗，整體移植效率可達(dá)2 000株/h，較人工移植效率提高了1倍左右。馮青春等研發(fā)了一種花卉穴盤移栽機(jī)，用于盆栽幼苗的移栽作業(yè)，該移栽機(jī)利用視覺識別技術(shù)完成種苗的定位與剔除，并通過由彈簧驅(qū)動的柔性可調(diào)夾持手爪，實(shí)現(xiàn)對種苗的夾取，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)移栽效率控制在800株/h以下時，視覺系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率可達(dá)87%，夾持手爪可進(jìn)行可靠性操作。為了解決一對一取放苗效率低的問題，嚴(yán)宵月等設(shè)計了一種整排間隔放苗的自動移栽機(jī)械，該移栽機(jī)是在PVHR2型旋轉(zhuǎn)托杯式半自動移栽機(jī)的基礎(chǔ)上升級而來，通過末端執(zhí)行器的上升、下降和正反旋轉(zhuǎn)90°等動作，可以實(shí)現(xiàn)一次性取放6棵種苗，在72孔的穴盤苗試驗(yàn)中，拾取效率可達(dá)3 600株/h，成功率在95%以上。劉霓紅等設(shè)計了一種管道式水培葉菜移栽機(jī)(圖6)，該移栽機(jī)主要由供盤帶、苗盤推送機(jī)構(gòu)、苗盤輸送機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、種植管輸送機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)組成，一次可以移栽6棵種苗，移植效率為1 200株/h，移植成功率為90%。

總的來看，國內(nèi)對于移栽機(jī)械的研究和應(yīng)用上取得了較大的進(jìn)步，但是對于水培葉菜移栽機(jī)械的大多數(shù)研究還是停留在樣機(jī)或者試驗(yàn)探索階段，再加上設(shè)備巨大，價格高昂等原因，并沒有做到商業(yè)化的應(yīng)用和推廣。在移栽機(jī)械研發(fā)方面，可借鑒國外先進(jìn)的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，整合水培葉菜生產(chǎn)中的配套物料，形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，便于機(jī)械化操作；給移栽機(jī)械手賦能，在提高其科技水平的同時兼顧輕便實(shí)用化研究，降低成本。

圖6 管道式栽培移植機(jī)Fig.6 Pipe cultivation transplanter

3 水培葉菜搬運(yùn)與收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀

水培與傳統(tǒng)土壤栽培的農(nóng)藝特點(diǎn)、采收要求不同，其收獲裝置形式與收獲的方式等也不相同。在收獲機(jī)械上，以日本和歐美等發(fā)達(dá)國家的研究起步較早，日本三菱重工的自動化植物工廠實(shí)現(xiàn)了從播種到收獲的全自動化生產(chǎn)，能夠節(jié)省91%的勞動力，但成本過于高昂，無法實(shí)現(xiàn)推廣。在設(shè)施水培生菜的采收上，日本鹿兒島大學(xué)采用了往復(fù)式切割去根采收，但采收后生菜菜葉雜亂無序，并容易造成蔬菜水分和營養(yǎng)物質(zhì)的流失，也尚未應(yīng)用于生產(chǎn)。Hachiya等設(shè)計了一種水培菠菜自動采收機(jī)器，先由搬運(yùn)設(shè)備將栽有成熟菠菜的栽培板搬運(yùn)至傳送帶上，經(jīng)機(jī)械裝置一端的切根裝置切掉根部，而后經(jīng)傳送帶將栽培板送至裝置的另一端，并在此處將整個栽培板倒置，依靠重力將菠菜與定植杯分離開，掉落至下一級的傳送帶上，完成菠菜的收獲，整個收獲裝置主要依靠傳送帶完成，自動化程度偏低。2001年，日本北海道植物工廠研發(fā)了一款搬運(yùn)采收機(jī)器人(圖7)，該機(jī)器人位于栽培架的上方，通過事先設(shè)計好的軌道在空間內(nèi)按照既定的軌跡移動，并根據(jù)控制指令達(dá)到指定的位置，在作業(yè)時，機(jī)器人將栽培板抬起運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，而后完成切根收獲等動作。Cho等研發(fā)了一種3個自由度生菜采收機(jī)器人，利用機(jī)器視覺觀測生菜生長狀況，判斷是否采摘，并通過模糊控制調(diào)整夾持生菜的力度，采摘后再對生菜進(jìn)行切割、輸送。

圖7 自動采收與搬運(yùn)機(jī)械Fig.7 Automatic harvesting and transportation machinery

國內(nèi)在水培葉菜和植物工廠蔬菜收獲機(jī)械方面也進(jìn)行了大量研究。權(quán)哲龍等設(shè)計了一種搬運(yùn)機(jī)器人，沿著栽培過道間鋪設(shè)的導(dǎo)軌行走，采用滑切式搬運(yùn)栽培板，這種方式雖然移動比較方便，但是定位比較困難。周增產(chǎn)等在北京通州一植物工廠內(nèi)設(shè)計了一款自動收獲機(jī)器人(圖8)來代替人工作業(yè)，該機(jī)器通過編碼器實(shí)現(xiàn)定位，利用PLC主從網(wǎng)絡(luò)完成控制；采用氣動裝置將栽培板托起并搬運(yùn)到指定位置；定位方式靈活，但只能用于單層栽培，在多層立體栽培中無法應(yīng)用。上海交通大學(xué)張樣平等設(shè)計了一種葉菜軌道式栽培系統(tǒng)，種植盤能夠在種植軌道上移動，通過分段栽培，當(dāng)把位于種植端的幼苗種植盤通過機(jī)械臂推送到栽培床上時，位于栽培床回液端的成品菜同時會被推出栽培床，進(jìn)入到下菜流水線，再經(jīng)流水線運(yùn)到出菜區(qū)，從而完成葉菜的自動搬運(yùn)，但這種方式也僅適用于單層栽培。江蘇大學(xué)的毛罕平等在栽培板上安裝鋁環(huán)，并通過分級抬升和分級伸縮的形式，將翻叉套進(jìn)鋁環(huán)內(nèi)完成對栽培板的抬升與收取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多層植物工廠的蔬菜收獲，但這種方式的效率較低，也無法適用于大型植物工廠。針對植物工廠多層栽培的搬運(yùn)難題，周亞波等設(shè)計了一種自動搬運(yùn)裝置，將動靜兩種軌道吊裝在栽培架上方，動軌的運(yùn)動方向與靜軌上機(jī)械手的運(yùn)動方向垂直，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手前后左右的移動，并通過剪叉升降機(jī)來控制機(jī)械手的上下運(yùn)動，整個裝置通過PCL控制器進(jìn)行控制，PCL通過實(shí)時采集位移傳感器的脈沖信息進(jìn)行坐標(biāo)定位，配合栽培板上的吊環(huán)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對栽培板的抬放搬運(yùn)，但這種方式在高層和超高層植物工廠中無法應(yīng)用。

圖8 北京通州植物工廠收獲機(jī)器人Fig.8 Harvesting robot in Tongzhou of Beijing plant factory

目前，雖然國內(nèi)外對水培葉菜搬運(yùn)收獲機(jī)械的研究取得了一定的進(jìn)展，但基本處于試驗(yàn)探索階段，尚未做到商業(yè)化應(yīng)用。要獲得實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用，還需要在機(jī)械的精確定位、快速反應(yīng)和穩(wěn)定運(yùn)行上進(jìn)行深入的研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的“快”、“準(zhǔn)”、“穩(wěn)”。并在實(shí)現(xiàn)單層水培葉菜生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，逐漸向垂直立體空間上延伸，突破多層或超高層立體垂直水培葉菜植物工廠搬運(yùn)與采收的難題。

4 存在問題及思考

目前，我國針對水培葉菜生產(chǎn)的機(jī)械設(shè)備較為缺乏，僅在播種環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)自動或半自動播種，并且與發(fā)達(dá)國家相比具有較大的差距。水培機(jī)械發(fā)展緩慢，無法滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求，亟需突破高效輕簡化水培機(jī)械裝備的研發(fā)與應(yīng)用。雖然近些年來隨著水培葉菜的發(fā)展，機(jī)械裝備得到了一定的改善，但總體上還存在以下問題：

1)機(jī)械專用性不高。水培葉菜的很多機(jī)械裝備都是從大田農(nóng)機(jī)裝備引用或者改裝而來，與水培葉菜的農(nóng)藝要求匹配度較差，農(nóng)機(jī)的適用性不高。這與研究人員對水培葉菜生產(chǎn)工藝與流程不熟悉有關(guān)，同時缺乏對水培葉菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)所涉及到的機(jī)械動作的機(jī)理研究，應(yīng)做到設(shè)備研發(fā)與農(nóng)藝操作相結(jié)合，提高機(jī)械的實(shí)用性。

2)水培葉菜生產(chǎn)配套裝備發(fā)展不完善。生產(chǎn)中的基質(zhì)塊、海綿和定植杯等各類生產(chǎn)物料沒有統(tǒng)一規(guī)格，圍繞水培葉菜生產(chǎn)的上下游裝備各產(chǎn)業(yè)鏈彼此獨(dú)立，沒有形成標(biāo)準(zhǔn)，限制了全程機(jī)械化的應(yīng)用。

3)機(jī)械設(shè)備價格高昂、效率低、適用性差。水培葉菜生產(chǎn)中的機(jī)械設(shè)備價格貴，維護(hù)成本高，適用的蔬菜種類和生產(chǎn)環(huán)境單一，機(jī)械操作動作緩慢，效率低，成熟的商品化機(jī)械缺乏，過于依賴進(jìn)口，忽略了國內(nèi)生產(chǎn)環(huán)境。

4)自主創(chuàng)新不足。關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備缺乏自主創(chuàng)新，研究設(shè)計以經(jīng)驗(yàn)為主，盲目模仿國外機(jī)械，沒有重視實(shí)際應(yīng)用需求。

5 發(fā)展趨勢

隨著植物工廠等高新農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，水培葉菜生產(chǎn)逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化栽培的方向發(fā)展，輔之以AI、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的支撐，水培種植技術(shù)將迎來全新的升級。

大型水培葉菜工廠勢必朝著機(jī)械化、智能化和數(shù)據(jù)化的方向發(fā)展，例如中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院都市農(nóng)業(yè)研究所研發(fā)的20層全自動無人化植物工廠；而對應(yīng)的機(jī)械也將朝著智能化、信息化的方向發(fā)展，通過各流程機(jī)械設(shè)備的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)各工序的高效自動化生產(chǎn)，并依靠人工智能等技術(shù)完成復(fù)雜的識別和多任務(wù)調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)種子到蔬菜的無人化生產(chǎn)。然而，對于小型水培葉菜工廠，如日本家庭型植物工廠，生產(chǎn)面積相對較小，投資小，則機(jī)械的發(fā)展應(yīng)該更加注重實(shí)用性，在適于生產(chǎn)空間的基礎(chǔ)上，要兼顧輕便、靈活，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化或者半機(jī)械化生產(chǎn)，釋放勞動力，降低勞動強(qiáng)度。

目前，我國簡易水培葉菜生產(chǎn)占有較高市場比重，要求機(jī)械設(shè)備要與生產(chǎn)環(huán)境相匹配，控制成本，以實(shí)用、適用為主；隨著國家的支持和企業(yè)投入，以植物工廠為代表的大規(guī)?，F(xiàn)代化的水培葉菜工廠在全國各地逐漸興起，則需要全流程智能化、自動化的機(jī)械設(shè)備，替代傳統(tǒng)人工操作，形成無人化智能水培葉菜工廠。以上兩點(diǎn)說明我國水培葉菜機(jī)械設(shè)備要朝著智能化和輕簡化并行的方向發(fā)展，從而全面提高水培葉菜工廠的機(jī)械化水平。