生猪消化代谢笼研究现状及专利分析

李　卓，邬　备*，蒋　涛，季　邦，吴明亮，范志勇

生猪消化代谢笼研究现状及专利分析

李卓1，邬备1*，蒋涛1，季邦1，吴明亮1，范志勇2

(1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2. 湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙 410128)

科研人员常采用消化代谢试验研究生猪对营养物质的代谢规律，生猪消化代谢笼是进行消化代谢试验的关键试验设备。通过统计、分析和归纳我国已有生猪消化代谢笼相关专利文献，总结了生猪消化代谢笼笼体、饮水装置、饲喂装置、代谢产物收集装置和福利玩具等装置的结构特点和研究现状，并对相关专利的申请数量、专利类型、分布省份、专利权人和申请人类型构成等信息进行了分析，总结了生猪消化代谢笼创新发展的瓶颈和趋势，以期为生猪消化代谢笼的进一步优化设计和升级提供参考。

生猪养殖；消化代谢笼；饲喂饮水装置；代谢产物收集装置；专利分析

1　前言

消化代谢试验是检验生猪饲料营养价值的重要手段。科研人员常采用体内法研究生猪对营养物质的代谢规律。全收粪是体内法常用的试验方式。在消化代谢试验过程中，需使用特制的消化代谢笼饲养试验猪。由于消化代谢试验具有一些特殊要求，因此对生猪消化代谢笼的设计提出了相应的要求，如：应能在一定程度上限制试验猪只活动，以便顺利开展消化代谢试验；应能方便地分离收集试验猪只的粪便、尿液等消化代谢产物并记录试验猪只的采食量；应在一定程度上保证猪只的舒适性和福利性。基于上述要求，相关科研人员针对生猪消化代谢笼的结构进行了创新设计。以专利文献为基础，从笼体结构、饮水装置、饲喂装置、代谢产物收集装置和福利玩具等几个方面梳理总结了我国生猪消化代谢笼的研究现状，并通过对相关专利的时间、类型、地域和申请人等信息进行统计，分析了生猪消化代谢笼的研究发展趋势，以期为生猪消化代谢笼的进一步优化设计和升级提供参考。

2　生猪消化代谢笼研究现状

2.1　笼体结构

笼体是生猪消化代谢笼的主体部分，主要有固定式和可调节式两种形式。虽然早期使用较多的固定式笼体结构简单、成本低，但因笼体大小无法调节而不利于对过大或过小的猪只进行消化代谢试验。当试验猪只个体过小时，无法限制试验猪只活动，试验猪只可在笼内自由活动、掉头，不利于粪便等样本的收集；当试验猪只个体过大时，生猪消化代谢笼又无法容纳试验猪只。

王建平等[1]设计的固定式笼体结构如图1(a)所示，由上部的横杆、四周的栅栏和下部带有漏缝孔的笼底组成。该笼体结构简单，通过在上部设置横杆，可防止试验猪只从消化代谢笼中跳出。邓耀辉等[2]设计的固定式笼体结构如图1(b)所示，由前后两个透明侧门、左对接门、右器皿安装门、上顶门和底部漏缝地板组成。采用透视板能有效减轻试验猪只的压抑孤独感。

图1　固定式笼体结构

目前，可调式笼体的应用更常见。试验人员可根据需要调节笼体空间大小，既能在一定程度上限制试验猪只活动，又能使生猪消化代谢笼的空间适应试验猪只个体生长的需要。

董冰等[3]设计的可调式笼体结构如图2(a)所示，前端设有能上下滑动的活动前栅门，后端设有能前后滑动的活动挡栅，两侧设有能左右移动的活动挡栅，上方还设有可上下移动的活动压板。胥刚等[4]设计的可调式笼体结构如图2(b)所示，通过在横杆上设计围杆安装块和连接头来实现横杆和竖杆的快速连接，通过调节杆间距来调整框体的大小。李健等[5]设计的可调式笼体结构如图2(c)所示，前栅栏被刚性连接在笼架上，后栅栏可沿长度方向调节移动；右侧板被刚性连接在笼架上，左侧板可沿笼架宽度方向调节移动。邓卉等[6]设计的可调式笼体结构如图2(d)所示，在笼体中设有若干相互平行且可上下移动的限位杆，利用限位杆可对试验猪只的腰高进行限制。王晓凤等[7]将封闭门设计为进笼梯板。试验时可打开封闭门，以方便试验猪只进入笼内；可快速拆卸笼体各部件，以便于运输。

图2　可调节式笼体结构

2.2　饮水装置

猪用自动饮水器的种类有鸭嘴式、乳头式、碗槽式、杯式等，其中鸭嘴式自动饮水器应用最为普遍。在生猪消化代谢笼中，饮水器的安装形式一般有固定式和可调节式两种。采用可调节式，可以对饮水器的高度进行调节，以适应不同个体大小的试验猪只。

如图3(a)所示，将鸭嘴式饮水器通过升降可调式结构安装在折叠门上，可对饮水高度进行调节[5]；如图3(b)所示，在生猪消化代谢笼中，通过螺栓将碗式饮水器固定在支撑板上，利用支撑板上不同高度的螺孔，实现饮水器的高度调节[8]；此外，在生猪消化代谢笼中，还可以通过插销结构实现饮水器高度的调节[9]。固定式饮水器可被安装于笼内或笼外，如赵智勇等[10]设计生猪消化代谢笼时将饮水器悬挂固定在笼门外侧。

图3　高度可调式饮水装置

试验时，由于需精量测定生猪的饮水量并对饮水量进行精准控制，因此部分消化代谢笼设置有流量精准监测和饮水量控制装置。

王建平等[1]在笼体的前端设置了自动饮水装置和流量检测装置，可准确测量试验猪只饮水量；王丽等[11]在设计的生猪代谢笼中，让饮水器位于进食槽的一侧，在进水管上安装了计量表、截止阀和水量控制阀等部件，能对试验猪只的饮水量进行计量和控制；董冰等[9]在饮水器下方设置了废料回收槽，可解决因残料浪费而造成的饲喂量记录不准确问题；刘太记等[12]在进水管上设置有电磁流量计量阀，能对饮水量进行精确计量；邓卉等[8]利用储水箱外的刻度线计算试验猪只的饮用水量，并在储水箱内设置了滤水水胆、温度探针和加热棒，不仅可对水质进行过滤处理，还可将饮水加热至温热状态，有利于试验猪只的健康。

2.3　饲喂装置

目前，在进行生猪消化代谢试验时，试验人员多采用直接将饲料倒入饲喂槽的饲喂方法，在饲料倒入饲喂槽前完成饲喂量的测定。根据饲喂槽的安装位置，可将饲喂装置分为笼内安装和笼外安装两种。笼内安装虽可方便试验猪只采食，但会减少猪只活动的空间，降低猪只活动时的舒适度；笼外安装虽不影响猪只活动空间，但对安装结构的强度和稳定性有一定要求。笼外安装的饲喂装置如图4(a)所示[13]，笼内安装的饲喂装置如图4(b)所示[14]。

图4 　不同安装位置的饲喂装置

根据饲喂槽的安装方式，可将饲喂装置分为固定式和可调节式两种。董冰等[8]在设计代谢笼时，通过插销结构将喂料槽连接于前栅栏上，并设有喂料槽挡栏，可调节其高度和控制喂食量；赵燕等[15]在设计代谢笼时，通过翻转连接机构对食槽进行安装和支撑，使食槽可拆卸和翻转，方便添加食料和清洁；沈维军等[13,16]在设计代谢笼时，让料槽可根据试验猪只体型的大小进行高度调节，同时使用了带门锁机构的料槽，能方便地控制猪的采食量和采食时间；王晓凤等[17]将饲料槽设置于笼体底部，通过伺服电机装置实现自动间歇式添加饲料，以避免浪费饲料。

2.4　代谢产物收集装置

在消化代谢试验中，需准确测定试验猪只的代谢产物。如何利用生猪消化代谢笼实现试验猪只粪便和尿液的有效分离和精准收集，是生猪消化代谢笼设计的瓶颈问题。目前，设置在生猪消化代谢笼上的代谢产物收集装置一般有固定式、抽屉式和皮带输送式3种形式。无论采用哪种形式的收集装置，均需要人力辅助对试验猪只的粪便和尿液进行收集。固定式代谢产物收集装置如图1(a)和图2(b)所示；抽屉式代谢产物收集装置如图5(a)所示[2]；皮带输送式代谢产物收集装置如图5(b)所示[16]。

图5 　不同型式的代谢产物收集装置

此外，相关人员还对部分代谢笼的代谢产物收集装置进行了结构优化改进，以便于粪便和尿液的分离和收集。王晓凤等[17,18]通过设计安装导板、滤板、截流条和挡粪板并使其互相配合，可使代谢产物的分离和收集更高效；王修启等[3]在笼体底部活动底网下设置了能前后移动的集粪装置和集尿装置，可根据试验猪只体型大小调整位置，确保了粪尿的完全分离和采集；邓卉等[6,8]、邓耀辉等[2]通过在笼体底部设置可滑动的滤网和收集槽结构，实现代谢产物的分离和收集；郑涛等[19]设计了带称重功能的尿液收集盘和粪便收集斗，可精确测量代谢产物的质量；沈维军等[13,16]利用安装在漏缝底板下的皮带输送装置，实现代谢产物样品的收集。

2.5　其他辅助装置

除了笼体、饮水装置、饲喂装置和代谢产物收集装置等主要功能装置外，根据不同的使用需求，还可给生猪消化代谢笼增加一些其他辅助装置，如福利玩具、清洗装置、称重装置等。邓卉等[20]通过在笼体内部设置含有铃铛的球体福利玩具，可减少试验猪只在笼中的应激反应；郑涛等[19]通过配置空气压缩机、水泵和冲刷泵等设备，对生猪消化代谢笼进行清洗，降低了人工清洗的劳动强度；刘太记等[12]通过在笼体上设置喷水阀组(喷头)来实现笼体的清洗；赵燕等[21]通过在笼体底板下方设置电子秤，能直观地测出猪只的体重；沈维军等[13,16]通过在笼体底座的前端安装称重仪表并在下部安装传感器，能实现对试验猪只体重和采食情况的实时监控。

3　生猪消化代谢笼专利分析

为了进一步分析生猪消化代谢笼近年来的发展趋势，对生猪消化代谢笼专利的时间、类型、地域和申请人等信息进行了统计。数据来源为soopat专利搜索和大为innojoy专利搜索网站。检索式为“名称=猪and代谢笼”，检索时间为2021年8月27日。经筛选后获得的相关数据为：中国专利31项，其中实用新型24项、发明专利6项、外观设计1项。

3.1　专利申请数量分析

通过对我国历年生猪消化代谢笼专利申请数量进行统计，可初步判断该领域新技术的研发热度和更新速度。历年生猪消化代谢笼专利申请数量及变化趋势如图6所示。

图6 　历年专利申请数量趋势图

由图可知，我国对生猪消化代谢笼的研究和创新起步较晚，直到2010年才出现生猪消化代谢笼专利的申请。随着技术的积累，同时受到“非洲猪瘟”的影响，自2017年后，生猪消化代谢笼专利申请量呈现出快速增长的趋势，从2017年前的每年1～2项迅速增长到2020年的11项。由于生猪消化代谢笼属于科研试验设备，因此专利申请量的增长从侧面说明了业内对生猪养殖代谢等领域的研发投入不断加大。

3.2　专利类型分析

通过对发明专利、实用新型专利和外观设计专利3种类型专利的申请数量进行统计，特别是对发明专利申请数量进行统计，可以了解我国生猪消化代谢笼的创新情况。专利类型分布情况如图7所示。

图7　专利类型分布图

统计可知，在已有的31项专利申请中，发明专利有6项，约占专利申请总量的19.35%；实用新型专利有24项，约占专利申请总量的77.42%；外观设计专利有1项，约占专利申请数量的3.23%。分析可知，目前申请的生猪消化代谢笼专利以实用新型专利为主，创新性更高的发明专利数量不多。这与生猪消化代谢笼的产品特点有关。由于生猪消化代谢笼仅用于实验室中的生猪消化代谢试验，功能需求较单一，因此在满足功能需求的前提下，研究人员一般不会对生猪消化代谢笼的结构和功能进行创新设计，只会对现有的生猪消化代谢笼进行结构改进，以提高其使用便利性。这也解释了实用新型专利较多的原因。

3.3　专利省份分布分析

通过对我国生猪消化代谢笼各专利的所属省份分布情况进行统计，可了解该领域相关技术在不同省份的发展情况。专利的省份分布情况如图8所示。

图8　专利的省份分布图

统计可知，四川省生猪消化代谢笼专利申请数量最多，在已有的31项专利申请记录中占了8项。此外，专利申请数量较多的省份还有北京和湖南，分别申请了7项和4项专利。专利申请量的多少，主要取决于该省畜牧领域相关科研院所的研究方向以及生猪产业发展情况。在专利申请数量较多的省份中，四川和湖南均是生猪养殖大省，2019年和2020年，四川和湖南的生猪出栏量分别位居全国第一、第二；由于北京研究生猪养殖代谢的相关科研院所众多，对生猪消化代谢笼有较强需求，因此北京的专利申请量排名靠前。

3.4　申请人类型分析

专利权人是专利权的所有人及持有人的统称。对专利权人的类型进行统计，可了解该领域的创新主体情况。专利权人的类型分布情况如图9所示。

图9　专利权人类型分布图

由图可知，在已有的31项生猪消化代谢笼的专利中，专利权人为科研院所的有14项，专利权人为高校的有14项，专利权人为企业的仅有3项。专利权人为高校和科研院所的专利占比超过90%，可见我国生猪消化代谢笼专利的创新主体仍是以高校和科研院所等研究型单位为主。这同样是由生猪消化代谢笼的产品特点造成的。由于生猪消化代谢笼本身是实验室科研设备，主要使用人群也是高校和科研院所的研究人员，生猪消化代谢笼的设计和升级多来自于科研人员在实际使用过程中的创新活动，因此申报专利的专利权人也集中在高校和科研院所。

3.5　申请人构成分析

对专利申请人的构成进行分析，可了解相关技术领域的专利技术主要掌握在哪些人手中，为研究提供参考依据。生猪消化代谢笼相关专利申请量排在前8位的申请人构成情况如图10所示。

图10　申请人构成情况

从上图可知，生猪代谢笼的专利申请量排在前8位的申请人为四川农业大学、北京市畜牧总站、四川省畜牧科学研究院、云南省畜牧兽医科学院、中国农业大学、山西农业大学、湖南农业大学和湖南中本智能科技发展有限公司，其中包括4所高校、3个研究院所和1家企业；专利申请合计数量为24件，约占专利申请总量的77.4%。专利申请人的构成情况进一步印证了前文对专利省份分布和申请人类型分布情况的分析。

4　结语

从笼体结构、饲喂装置、饮水装置、代谢产物收集装置等几个方面分析了生猪消化代谢笼的研究现状和发展趋势，并对现有生猪消化代谢笼专利信息进行了统计与分析，总结了生猪消化代谢笼发展的瓶颈与趋势。

(1)自动分离、收集和保存代谢产物。使用目前已有的生猪消化代谢笼，由于分离、收集和保存代谢产物仍需人工高度参与，且尚未完全解决符合消化代谢试验要求的代谢物分离程度、代谢物样本污染、代谢物样本保存等问题，因此现有设备仍存在较大的优化改进空间。

(2)精量监测与控制饲喂饮水。使用目前已有的生猪消化代谢笼，大多仍采取人工的方式监测与控制饲喂饮水。虽然某些产品具有实时记录饮水量的功能，但未见报道能精准计量和控制饲喂量的生猪消化代谢笼。饲喂装置仍有待于进一步升级。

(3)价格、成本与市场问题分析。生猪消化代谢笼属科研设备，应用范围不广且市场价格不高，以致市场体量和利润空间不大。由于生猪消化代谢笼的市场体量和利润空间均不大，再加上技术创新升级还将进一步提高成本，因此无法激发企业的创新活力和参与热情。这些问题均制约了生猪消化代谢笼的创新升级和技术发展。

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Present state and patent analysis of pig digestive and metabolic cages

LI Zhuo1，WU Bei1*，JIANG Tao1，JI Bang1，WU Mingliang1，FAN Zhiyong2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China; 2. College of Animal Science and Technology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128, China)

Researchers often use digestion and metabolism experiments to study the metabolism of nutrients in pigs. Pig digestion and metabolism cage is the key test equipment for digestion and metabolism experiments. The present state and the structural characteristics of the devices (e.g., digestive and metabolic cage, feeding device, drinking device, metabolite harvesting device, and welfare toy) were summarized through statistics, analysis, and summary of existing patent literature on digestive metabolic cages in China. In addition, the information (e.g., number of applications, type of patents, distribution of provinces, patentees, and composition of applicant type) of the patients were analyzed. The bottlenecks and trends of innovation and development of pig digestive and the metabolic cage were summarized, to provide a reference for the further optimization design and upgrading of the cage.

pig breeding; digestive and metabolic cage; feeding and drinking device; metabolite harvesting device; patent analysis

S858

A

2096–8736(2021)05–0001–06

李卓(1998—)，男，湖南岳阳人，硕士研究生，主要研究方向为农业机械创新设计。

通信作者：邬备(1988—)，男，湖南长沙人，博士，讲师，主要研究方向为农业机械创新设计。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立