授粉器技术专利分析

陈 佩 ， 马彧博

（国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心，天津 300304）

1 授粉器概述

人工授粉技术是用人工方法把植物花粉传送到柱头上以提高籽实率，或有方向性改变植物物种的技术措施。传统的杂交授粉主要有点授和杆授[1]。目前，我国人工授粉技术存在劳动强度高、生产效率低、成本高等问题[2]，这些问题已经成为农业发展的绊脚石。而授粉器是人工授粉过程中使用的授粉设备，能够方便、高效地完成授粉动作，节省人工劳动，提高授粉成功率，已成为现代化、精细化农业中一项重要设备。随着杂交技术的广泛应用，针对不同杂交作物的授粉器也层出不穷。在小麦[3]、水稻[4]等粮食作物以及猕猴桃[5]、番茄[6]等园艺植物中以及落叶松[7]等林业植物中广泛应用。近年来，还出现了通过直升飞机搭载航模，遥控实现授粉作业的技术[8]。有学者称根据不同作物的高度、生长周期、叶面大小等方面进行综合考虑，制定出合理的风场、飞行速度、高度等数据，依据不同种类的花蕊，采用科学的授粉计算方法，确定最佳授粉时期，实施无人机的赶花授粉，是机械化授粉发展的方向[9]。然而，现有的研究中仅仅针对个别、单一作物的授粉器进行介绍或研究，缺少对授粉机构原理的梳理、总结和持续关注，导致授粉器技术难以形成系统理论并迭代更新，难以在不同作物之间相互借鉴和推广，进而难以产业化。因此，本文对授粉器技术相关专利进行了分析，以推动我国授粉器技术的发展进步。

2 专利申请总体态势及技术发展脉络

截至2021年4月10日，在incopat同族数据库检索后经过人工标引，得到授粉器技术相关专利申请共计1190项，图1为授粉器相关专利全球申请趋势以及技术来源国，由图1可以看出，授粉器相关专利主要技术来源国是中国，申请量占82.9%，可能因为中国是农业大国，中国农业逐渐向省力化栽培的方向发展。而机械化是助力省力化栽培的重要方式，人工授粉是劳动力密集型生产技术，已经不能满足现代农业的发展方向，机械化授粉发展迫在眉睫。因此，授粉器专利相关的申请量逐年增加。其次是韩国、美国和日本，上述3个国家也是农业强国。通过图1的专利申请趋势可以看出专利申请总体趋势分为以下三个阶段。

图1 全球专利的申请趋势及技术来源国

1）2009 年之前的探索期。授粉器的专利年申请量在9项以下，申请人以个人申请为主。主要研究了授粉器的手动、电动形式，针对不同作物的便携式设备、大型机械化设备，以及通过起动、喷雾、摇晃、电磁振动等工作原理。

1921年的专利US1528664A 公开了最早的授粉器，一种利用手动双向活塞泵对果树进行气动采粉、授粉的装置，它具有维持花粉活性的加热器和惰性承载介质。1932年的专利US1923217A公开了一种针对室内番茄的摇晃式授粉器，通过电动蜗轮蜗杆结构实现摇动板的运动，能够实现所有植株同时摇晃授粉。1940—1955年的专利US2257036A 、US2709320A 、US2749664A和 US2775065A公开了一种大田授粉车，通过车载人力踏板或其他动力源驱动链条机构，实现细长旋转刷的转动，进而对车后较大面积的苜蓿进行授粉，提高了大田授粉效率。1946年的专利US2548487A公开了最早的授粉枪，通过手动气囊提供压缩气体，吹动花粉储存器内的花粉经过延伸管达到高大果树的雌蕊，方便高效。1977年的专利US4087937A首次提出了专门应用于杂交的授粉器，先将玉米父本、母本间作，后利用车载振动器摇晃中间多排父本使其花粉脱落，引风机抽吸花粉并同时排出给两侧多排母本，极大提高了杂交效率。1978年的专利US4159596A公开了一种人工定向授粉袋，将自交玉米的雌雄花套袋连接，以产生高纯度。1980年前苏联劳动红旗农学院的专利SU921478A1公开了一种授粉器，具有电磁波音频振荡器和气动式脉动器，用于采集花粉并使之膨松化；高压静电场，用于对花粉除尘，减少了机械机构对花粉的损伤，提高了花粉纯度。1985年的专利US4644683A公开了一种授粉直升机，安装有丙烷燃烧器，直接加热苜蓿花附近的空气，高温使花朵开放，下沉气流的搅动促进花粉在田间传播，从而提高授粉率。

2）2010—2014年的快速发展期。年申请量从21项逐渐增加到47项，中国申请人研究活跃，申请量占比从57%逐渐提高到85%左右。主要在上一阶段相关技术分支上进一步研究，首次出现了专门搭载于无人机的授粉器，授粉作业空间进一步拓展。

2012年的专利CN203251753U公开一种气流式授粉器喷头，具备增压分流头。动力气流由增压分流头的气流入口进入增压分流头，然后由增压分流头的两个气流出口增压分流进入花粉罐，气流搅动花粉罐内的花粉，使花粉在花粉罐的上部空间呈粉尘状，粉尘状的花粉随气流由花粉罐上端的喷粉孔喷出。该授粉器喷头结构简单，成本低廉，性能稳定可靠。2012年珠海羽人飞行器有限公司的专利CN103503764B 公开了一种具有气力授粉装置的无人直升机，悬吊径向进风的风机在植株尖端掠飞，强力吹动花粉，并可将部分花粉吸入风机后吹出，授粉效果好，作业效率高。2013年华南农业大学的专利CN103238513B公开了一种适用于无人机授粉作业的机载装置，通过将垂直方向的风场转变水平方向的风场，从而提高了授粉的效率和效果，同时还有效隔离了飞行器形成的风场对授粉的影响。2014年先锋国际良种公司的专利CN103929949A公开了一种对多个植物批量授粉的授粉装置，其将多个已知花粉粒载入批量花粉分配装置，使用电子传感器检测目标授粉位置，当电子传感器检测到目标授粉位置并到达预定距离时，批量花粉分配装置将花粉粒分配至多颗植物，完成多颗植物的授粉。2014年天津泽宇农产品种植公司的专利CN203708989U公开了一种针对水稻杂交制种辅助授粉机械装置，通过设置横梁、焊接与机动车链接的连接耳、托架、立板、牵引环等，通过机动车的牵引作用，实现了机械化拉花授粉，改善了人工拉花授粉不均匀现象，最大程度实现了机械辅助授粉，提高了拉花效率和制种产量。2014年成都锦汇科技有限公司公开了一种电动授粉器，通过设置电机、蓄电池、转动齿轮、传输皮带、花粉收集器可以达到收集花粉更加方便、效果好、避免花粉浪费的技术效果，且结构简单适合果树的授粉。

3）2015 年以后的爆发期。年申请量从71项逐渐增加到2018年的215项（2019年之后的专利未全部公开），中国申请人更加活跃，申请量占比达到95%左右。主要在上一阶段相关技术分支上进一步研究，授粉器技术趋近多元化、自动化、智能化。

2015年俄罗斯联邦国家预算科学研究所的专利RU2588451C1公开了一种无人机授粉装置，具备授粉用螺旋桨及其控制偏心机构，能够精确控制授粉用螺旋桨吹风方向，提高了授粉质量。2016年黑龙江省农业科学院经济作物研究所的专利CN205357552U公开了一种太阳能手持式采粉和授粉于一体的电动装置，进一步拓展了授粉器能源范围。2017年的专利CN108782223A 公开了一种自动飞行授粉设备，具有图像采集装置、图像识别装置及授粉装置，图像采集装置采集农作物航拍影像，图像识别装置储有默认的农作物花朵图像数据库而辨识出目标花朵的种类和位置，进而自动控制飞行构件，调整无人飞行装置的飞行动作，实现了完全自动授粉。2017年华南农业大学的专利CN107347628B公开了一种用于多旋翼飞行器的涵道授粉装置，可调整涵道风扇的作业角度，产生水平方向的风场，从而使风场的方向与花粉的扩散方向吻合，利于花粉的扩散，提高了授粉的效率。且涵道授粉装置可以有效隔离多旋翼飞行器产生的垂直风场对植株授粉的影响，保证了授粉的效果。2018年先正达法国公司的专利FR3078859B1公开了一种具备空气流量放大器的授粉器，空气流量放大器利用康达效应以在输送通道内诱导空气从花粉收集装置流向花粉分配装置的流动，节约了能源。2020年郑珏的专利CN112189558A公开了一种收粉率高的农用授粉无人机，其通过在花粉箱中设置降温管，降温管中装冷却液循环流动，可防止温度升高影响花粉活性。另外，还通过设置放电针放电，使得喷出的花粉带有电荷，更容易附着在花朵上，提高授粉成功率。

3 主要申请人分析

图2显示了授粉器相关专利主要申请人，由图2可以看出，授粉器相关专利主要申请人均来源中国，排名第一的是四川农业大学，其申请量有14项，第二和第三分别是成都锦汇科技有限公司和中国农业科学院棉花研究所，分别为12项和11项。其次是湖南农业大学和安徽科技学院，申请量均为10项。申请量排名前10位的还包括个人申请，总体而言，科研院所和高校占比较大，公司以及个人申请量占比较低。说明我国授粉器专利主要以科研为主，产业化进程缓慢。

图2 全球专利申请人排名（单位：项）

4 结语

授粉器技术的发展大致经历了三个阶段。探索期的专利申请以个人申请居多，主要研究了各种授粉器的基础结构和工作原理，但未形成产业化。快速发展期内中国申请人研究活跃，主要在上一阶段基础上进一步研究，出现了通用零部件；无人机的使用进一步拓展了授粉作业空间，爆发期内中国申请人更加活跃，申请量占比达到95%左右；授粉器技术趋近多元化、自动化、智能化。未来，随着杂交技术进一步推广，农业机械化水平进一步提高，授粉器技术有望成为智慧农业、生态农业的重要推动力。