授粉器技術專利分析

陳 佩 ， 馬彧博

（國家知識產權局專利局專利審查協作天津中心，天津 300304）

1 授粉器概述

人工授粉技術是用人工方法把植物花粉傳送到柱頭上以提高籽實率，或有方向性改變植物物種的技術措施。傳統的雜交授粉主要有點授和桿授[1]。目前，我國人工授粉技術存在勞動強度高、生產效率低、成本高等問題[2]，這些問題已經成為農業發展的絆腳石。而授粉器是人工授粉過程中使用的授粉設備，能夠方便、高效地完成授粉動作，節省人工勞動，提高授粉成功率，已成為現代化、精細化農業中一項重要設備。隨著雜交技術的廣泛應用，針對不同雜交作物的授粉器也層出不窮。在小麥[3]、水稻[4]等糧食作物以及獼猴桃[5]、番茄[6]等園藝植物中以及落葉松[7]等林業植物中廣泛應用。近年來，還出現了通過直升飛機搭載航模，遙控實現授粉作業的技術[8]。有學者稱根據不同作物的高度、生長周期、葉面大小等方面進行綜合考慮，制定出合理的風場、飛行速度、高度等數據，依據不同種類的花蕊，采用科學的授粉計算方法，確定最佳授粉時期，實施無人機的趕花授粉，是機械化授粉發展的方向[9]。然而，現有的研究中僅僅針對個別、單一作物的授粉器進行介紹或研究，缺少對授粉機構原理的梳理、總結和持續關注，導致授粉器技術難以形成系統理論并迭代更新，難以在不同作物之間相互借鑒和推廣，進而難以產業化。因此，本文對授粉器技術相關專利進行了分析，以推動我國授粉器技術的發展進步。

2 專利申請總體態勢及技術發展脈絡

截至2021年4月10日，在incopat同族數據庫檢索后經過人工標引，得到授粉器技術相關專利申請共計1190項，圖1為授粉器相關專利全球申請趨勢以及技術來源國，由圖1可以看出，授粉器相關專利主要技術來源國是中國，申請量占82.9%，可能因為中國是農業大國，中國農業逐漸向省力化栽培的方向發展。而機械化是助力省力化栽培的重要方式，人工授粉是勞動力密集型生產技術，已經不能滿足現代農業的發展方向，機械化授粉發展迫在眉睫。因此，授粉器專利相關的申請量逐年增加。其次是韓國、美國和日本，上述3個國家也是農業強國。通過圖1的專利申請趨勢可以看出專利申請總體趨勢分為以下三個階段。

圖1 全球專利的申請趨勢及技術來源國

1）2009 年之前的探索期。授粉器的專利年申請量在9項以下，申請人以個人申請為主。主要研究了授粉器的手動、電動形式，針對不同作物的便攜式設備、大型機械化設備，以及通過起動、噴霧、搖晃、電磁振動等工作原理。

1921年的專利US1528664A 公開了最早的授粉器，一種利用手動雙向活塞泵對果樹進行氣動采粉、授粉的裝置，它具有維持花粉活性的加熱器和惰性承載介質。1932年的專利US1923217A公開了一種針對室內番茄的搖晃式授粉器，通過電動蝸輪蝸桿結構實現搖動板的運動，能夠實現所有植株同時搖晃授粉。1940—1955年的專利US2257036A 、US2709320A 、US2749664A和 US2775065A公開了一種大田授粉車，通過車載人力踏板或其他動力源驅動鏈條機構，實現細長旋轉刷的轉動，進而對車后較大面積的苜蓿進行授粉，提高了大田授粉效率。1946年的專利US2548487A公開了最早的授粉槍，通過手動氣囊提供壓縮氣體，吹動花粉儲存器內的花粉經過延伸管達到高大果樹的雌蕊，方便高效。1977年的專利US4087937A首次提出了專門應用于雜交的授粉器，先將玉米父本、母本間作，后利用車載振動器搖晃中間多排父本使其花粉脫落，引風機抽吸花粉并同時排出給兩側多排母本，極大提高了雜交效率。1978年的專利US4159596A公開了一種人工定向授粉袋，將自交玉米的雌雄花套袋連接，以產生高純度。1980年前蘇聯勞動紅旗農學院的專利SU921478A1公開了一種授粉器，具有電磁波音頻振蕩器和氣動式脈動器，用于采集花粉并使之膨松化；高壓靜電場，用于對花粉除塵，減少了機械機構對花粉的損傷，提高了花粉純度。1985年的專利US4644683A公開了一種授粉直升機，安裝有丙烷燃燒器，直接加熱苜蓿花附近的空氣，高溫使花朵開放，下沉氣流的攪動促進花粉在田間傳播，從而提高授粉率。

2）2010—2014年的快速發展期。年申請量從21項逐漸增加到47項，中國申請人研究活躍，申請量占比從57%逐漸提高到85%左右。主要在上一階段相關技術分支上進一步研究，首次出現了專門搭載于無人機的授粉器，授粉作業空間進一步拓展。

2012年的專利CN203251753U公開一種氣流式授粉器噴頭，具備增壓分流頭。動力氣流由增壓分流頭的氣流入口進入增壓分流頭，然后由增壓分流頭的兩個氣流出口增壓分流進入花粉罐，氣流攪動花粉罐內的花粉，使花粉在花粉罐的上部空間呈粉塵狀，粉塵狀的花粉隨氣流由花粉罐上端的噴粉孔噴出。該授粉器噴頭結構簡單，成本低廉，性能穩定可靠。2012年珠海羽人飛行器有限公司的專利CN103503764B 公開了一種具有氣力授粉裝置的無人直升機，懸吊徑向進風的風機在植株尖端掠飛，強力吹動花粉，并可將部分花粉吸入風機后吹出，授粉效果好，作業效率高。2013年華南農業大學的專利CN103238513B公開了一種適用于無人機授粉作業的機載裝置，通過將垂直方向的風場轉變水平方向的風場，從而提高了授粉的效率和效果，同時還有效隔離了飛行器形成的風場對授粉的影響。2014年先鋒國際良種公司的專利CN103929949A公開了一種對多個植物批量授粉的授粉裝置，其將多個已知花粉粒載入批量花粉分配裝置，使用電子傳感器檢測目標授粉位置，當電子傳感器檢測到目標授粉位置并到達預定距離時，批量花粉分配裝置將花粉粒分配至多顆植物，完成多顆植物的授粉。2014年天津澤宇農產品種植公司的專利CN203708989U公開了一種針對水稻雜交制種輔助授粉機械裝置，通過設置橫梁、焊接與機動車鏈接的連接耳、托架、立板、牽引環等，通過機動車的牽引作用，實現了機械化拉花授粉，改善了人工拉花授粉不均勻現象，最大程度實現了機械輔助授粉，提高了拉花效率和制種產量。2014年成都錦匯科技有限公司公開了一種電動授粉器，通過設置電機、蓄電池、轉動齒輪、傳輸皮帶、花粉收集器可以達到收集花粉更加方便、效果好、避免花粉浪費的技術效果，且結構簡單適合果樹的授粉。

3）2015 年以后的爆發期。年申請量從71項逐漸增加到2018年的215項（2019年之后的專利未全部公開），中國申請人更加活躍，申請量占比達到95%左右。主要在上一階段相關技術分支上進一步研究，授粉器技術趨近多元化、自動化、智能化。

2015年俄羅斯聯邦國家預算科學研究所的專利RU2588451C1公開了一種無人機授粉裝置，具備授粉用螺旋槳及其控制偏心機構，能夠精確控制授粉用螺旋槳吹風方向，提高了授粉質量。2016年黑龍江省農業科學院經濟作物研究所的專利CN205357552U公開了一種太陽能手持式采粉和授粉于一體的電動裝置，進一步拓展了授粉器能源范圍。2017年的專利CN108782223A 公開了一種自動飛行授粉設備，具有圖像采集裝置、圖像識別裝置及授粉裝置，圖像采集裝置采集農作物航拍影像，圖像識別裝置儲有默認的農作物花朵圖像數據庫而辨識出目標花朵的種類和位置，進而自動控制飛行構件，調整無人飛行裝置的飛行動作，實現了完全自動授粉。2017年華南農業大學的專利CN107347628B公開了一種用于多旋翼飛行器的涵道授粉裝置，可調整涵道風扇的作業角度，產生水平方向的風場，從而使風場的方向與花粉的擴散方向吻合，利于花粉的擴散，提高了授粉的效率。且涵道授粉裝置可以有效隔離多旋翼飛行器產生的垂直風場對植株授粉的影響，保證了授粉的效果。2018年先正達法國公司的專利FR3078859B1公開了一種具備空氣流量放大器的授粉器，空氣流量放大器利用康達效應以在輸送通道內誘導空氣從花粉收集裝置流向花粉分配裝置的流動，節約了能源。2020年鄭玨的專利CN112189558A公開了一種收粉率高的農用授粉無人機，其通過在花粉箱中設置降溫管，降溫管中裝冷卻液循環流動，可防止溫度升高影響花粉活性。另外，還通過設置放電針放電，使得噴出的花粉帶有電荷，更容易附著在花朵上，提高授粉成功率。

3 主要申請人分析

圖2顯示了授粉器相關專利主要申請人，由圖2可以看出，授粉器相關專利主要申請人均來源中國，排名第一的是四川農業大學，其申請量有14項，第二和第三分別是成都錦匯科技有限公司和中國農業科學院棉花研究所，分別為12項和11項。其次是湖南農業大學和安徽科技學院，申請量均為10項。申請量排名前10位的還包括個人申請，總體而言，科研院所和高校占比較大，公司以及個人申請量占比較低。說明我國授粉器專利主要以科研為主，產業化進程緩慢。

圖2 全球專利申請人排名（單位：項）

4 結語

授粉器技術的發展大致經歷了三個階段。探索期的專利申請以個人申請居多，主要研究了各種授粉器的基礎結構和工作原理，但未形成產業化。快速發展期內中國申請人研究活躍，主要在上一階段基礎上進一步研究，出現了通用零部件；無人機的使用進一步拓展了授粉作業空間，爆發期內中國申請人更加活躍，申請量占比達到95%左右；授粉器技術趨近多元化、自動化、智能化。未來，隨著雜交技術進一步推廣，農業機械化水平進一步提高，授粉器技術有望成為智慧農業、生態農業的重要推動力。