《AgriEngineering》：Design and Performance Evaluation of a Vacuum-Based Twist–Bend End-Effector for Automated Mushroom Harvesting with Vision-Based Damage Assessment
Kittiphum Pawikhum,
Yanqiu Yang,
Long He,
John A. Pecchia and
Paul Heinemann
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本研究针对人工采摘白蘑菇效率低、损伤率高的问题，开发了一种集真空吸附、弯曲与扭转于一体的机器人末端执行器。通过测定摩擦系数（μ=0.621）、临界弯曲力（2.59 N）与扭矩（2.56 Nm），确定了最佳真空压力（-17.17 kPa），实现97%采摘成功率，且维持了与人工相当的Whiteness Index (WI)，为自动化采收提供了关键技术支撑。
在全球食用菌产业飞速发展的背景下，白蘑菇（Agaricus bisporus）因其丰富的营养与独特风味占据重要市场份额。然而，传统人工采摘面临劳动力短缺、成本攀升与作业标准不一等严峻挑战——不仅效率难以满足规模化生产需求，更易因操作不当导致蘑菇表面擦伤、褐变加速，严重影响其作为“生鲜农产品”的市场价值。能否让机器人像经验丰富的农民一样，精准完成“轻拿轻放”的采收动作？这成为农业工程领域的核心难题。
近日发表于《AgriEngineering》的研究，给出了令人振奋的答案。研究团队创新性地设计了一款融合生物力学原理与智能控制的末端执行器，通过系统解构“弯曲-扭转”这一人类采摘的经典动作，成功实现了机器对蘑菇的低损伤高效采收，为设施农业智能化提供了关键技术范式。
研究采用多学科交叉手段，核心环节包括：① 利用粒子间力学测试仪量化蘑菇表皮与硅胶吸盘的摩擦系数（μ），奠定吸附力设计基础；② 搭建定制化测力平台，精确捕捉蘑菇茎秆在弯曲过程中的受力突变点（临界弯曲角5.72°）与扭转分离所需扭矩（2.56 Nm）；③ 基于力学数据推导真空压力控制方程（如Pvacuum计算式），指导末端执行器的气压优化；④ 构建包含气动弯曲模块、步进电机扭转模块与真空吸附模块的物理系统，在真实种植环境中验证性能；⑤ 引入计算机视觉算法，通过CIELAB色彩空间分析Whiteness Index (WI，白度指数) ，量化不同采收方式对蘑菇外观品质的长期影响。
3.1. 摩擦系数
摩擦力是真空吸盘能否“抓得住、不滑脱”的决定性因素。研究通过对80个新鲜蘑菇样本的滑动测试，测得蘑菇表皮与硅胶材料的平均摩擦系数为0.621±0.193。值得注意的是，数据分布范围较广（0.044-1.2），这揭示了蘑菇表面微观结构的天然差异性。为确保设计鲁棒性，研究人员选取均值减去两倍标准差（0.235）作为安全阈值，保障即使在低摩擦条件下，吸盘仍能提供足够的抗剪切力，防止操作中发生意外脱落。
3.2. 弯曲测试结果
弯曲是破坏蘑菇菌丝体（Mycelium）与栽培料连接的第一步。实验显示，蘑菇在受力弯曲时存在明显的“临界点”——当弯曲角度达到平均5.72°时，作用力会突然下降，标志着菌丝断裂。此时所需的平均力仅为2.59 N。研究还发现，茎秆长度是关键变量：短茎蘑菇在菌丝断裂前，菌盖极易触碰基质，导致不必要的挤压与污损。因此，末端执行器被设定为执行10°的预弯曲动作，既确保有效破壁，又预留安全余量避免物理干涉。
3.3. 扭转测试结果
单纯的拉扯容易将菌丝连根拔起，损害下一茬产量；而巧妙的扭转则能实现“干净分离”。扭矩测试表明，随着旋转角度增至60°-90°，所需扭矩趋于稳定（平均2.56 Nm）。据此换算的真空压力与弯曲所需压力无显著差异（p=0.51），这意味着通过单一气压控制系统即可同步驱动两项动作，极大简化了执行器的机械复杂度。
3.4. 弯曲与扭转最小真空压力的比较
统计分析证实，尽管样本量存在差异，但弯曲与扭转过程所需的最小真空压力（分别约-8.64 kPa和-8.91 kPa）在统计学上并无本质区别。这一发现具有重要工程价值：它允许研究人员采用统一的压力基准来设计执行器的动力单元，无需为不同动作配置独立的真空发生装置。
3.5. 末端执行器原型机的最终设计与成功率
基于上述参数，原型机整合了三大模块：硅胶真空吸盘负责包络菌盖；气动推杆驱动销轴沿滑槽运动，实现10°精准弯曲；步进电机带动吸盘旋转90°，完成扭转剥离。在-20 kPa压力下，采摘成功率高达97%。虽然高压提升成功率，但-20 kPa组蘑菇的白度指数（WI）显著降低，提示过大的吸附力虽“抓得牢”，却可能牺牲产品卖相。
3.6. 白度指数评估
品质是生鲜产品的生命线。研究通过长达8天的跟踪监测发现，真空压力与蘑菇外观劣变呈负相关。-20 kPa处理的蘑菇WI值最低，而-10 kPa、-15 kPa处理组的表现与人工采摘相当。尤为关键的是，若采收瞬间吸盘未造成肉眼可见压痕，后续储存期间也不会诱发异常褐变；反之，初始损伤会在老化过程中被急剧放大。这为“无损化”设计提供了直观的生物证据。
3.7. 推荐压力
如何在“抓得稳”与“不伤果”间寻找平衡？研究构建了成功率-WI双指标等高线图，锁定-17.17 kPa为最优解。在此压力下，系统既能维持约95%的高效作业，又能将品质损耗控制在市场可接受范围内。
本研究通过严谨的生物力学建模与工程验证，成功打破了机器人采摘“重效率轻质量”的瓶颈。所研发的末端执行器不仅复现了人类“先折后旋”的精细动作逻辑，更通过定量化的压力控制，解决了柔性接触中的损伤难题。研究证实，基于-17.17 kPa真空压力的协同作业，能在保证高成功率的同时，使机器收获的蘑菇在色泽、形态上与手采品无异。这一成果不仅为白蘑菇自动化装备提供了具体的设计参数（如摩擦系数μ、弯曲角10°、扭转角90°），其“力学感知-结构适配-品质反馈”的研究框架，更为
