杏鲍菇形态及力学特性试验研究

摘要：针对目前缺乏杏鲍菇的物理特征参数，测定杏鲍菇形态特征并开展力学特性试验。利用三维激光扫描仪获取杏鲍菇的三维模型，分析该模型并得到形态特征参数；采用质构仪开展杏鲍菇的压缩、剪切以及弯曲试验，得到杏鲍菇在不同加载速度下头部、中部与尾部的弹性模量、抗压强度与剪切强度以及整根的抗弯强度与弯曲弹性模量。结果表明：杏鲍菇的形态呈现两头宽中间窄，体积表型变异系数为38.06%，表明不同杏鲍菇的形态差异较为显著；在不同加载速度下，杏鲍菇中部的抗压强度以及弹性模型高于头部与尾部，而剪切强度介于头部与尾部之间，抗弯强度及弯曲弹性模量分别约为0.2"MPa与0.069"MPa。为后续杏鲍菇抓取末端执行器提供理论指导。

关键词：杏鲍菇；三维重建；形态特征；力学特性；表型变异系数

中图分类号：S646""""""文献标识码：A""""""文章编号：2095‑5553"（2025）"02‑0147‑06

Experimental study on morphology and mechanical properties of Pleurotus eryngii

Shen Yiyang1， 2， Fang Bing1， 2， Huang Junwei1， 2， Liu Yongqiang1， 2， Ye Dapeng1， 2， Xie Limin1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， 350100， China;

2. Fujian Key Laboratory of Agricultural Information Sensing Technology， Fuzhou， 350100， China）

Abstract： In view of the lack of physical characteristics of Pleurotus eryngii， the morphological characteristics of Pleurotus eryngii were determined and the mechanical properties were tested. The 3D model of Pleurotus eryngii was obtained by using 3D laser scanner. The model was analyzed and the parameters of morphological characteristics were obtained. The compression， shear and bending tests of Pleurotus eryngii were carried out with a texture meter， and the elastic modulus， compressive strength and shear strength of the head， middle and tail of Pleurotus eryngii， as well as the flexural strength and bending elastic modulus of the whole root were obtained under different loading speeds. The results showed that the morphology of Pleurotus eryngii was wide at both ends and narrow in the middle， and the coefficient of volume phenotypic variation was 38.06%， indicating that the morphological differences of different Pleurotus eryngii were significant. Under different loading speeds， the compressive strength and elastic model of the center of Pleurotus eryngii were higher than those of the head and tail， while the shear strength was between the head and tail， and the flexural strength and flexural elastic modulus were about 0.2 MPa and 0.069 MPa， respectively. The experimental results can provide theoretical guidance for Pleurotus eryngii to grasp the end effector.

Keywords： Pleurotus eryngii; three‑dimensional reconstruction; morphological characteristics; mechanical property; phenotypic variation

收稿日期：2024年6月24日""""""" 修回日期：2024年8月5日

∗ 基金项目：福建省林业科学技术攻关项目（2023FKJ01）；福建省重大专项（2021NZ0101）；福建农林大学交叉学科项目（XKJC—712021030）

第一作者：沈一阳，男，2000年生，福建漳州人，硕士研究生；研究方向为农业机械自动化。E‑mail： 1194670312@qq.com

通讯作者：谢立敏，女，1985年生，杭州人，博士，讲师；研究方向为农业机器人控制。E‑mail： lucy_min@163.com

0 引言

杏鲍菇又名刺芹侧耳，因具有杏仁的香味而得名，是中国七种常见的食用菌品种之一，年产量超过百万吨，其营养价值极高，具有多种药用功能以及各种生物活性成分。杏鲍菇采摘后需送往加工厂进行切脚、分拣、冷冻、包装、抽真空等加工处理，其中分拣是生产过程的核心工序，主要形式为人工对杏鲍菇等级进行判断，人工分拣不仅劳动强度高，而且受工人作业熟练度、文化水平等因素影响，极易导致分拣效率低下，杏鲍菇受损等情况，极大地限制农业的发展[1]，因此，对于实现杏鲍菇无损分拣的需求十分迫切。

近年来，随着材料技术的不断进步，适用于娇嫩菇类表面的柔性末端执行器成为了一大研究方向。卢伟等[2]针对褐菇在自动化采摘过程中容易受损的问题，通过仿真静力学分析以及遗传算法设计了一款3指4指节的柔性手爪，减小了抓持力的同时增加了抓取的稳定性。姬江涛等[3]根据双孢菇的形态特性设计了一款基于颗粒阻塞原理的柔性仿形吸盘，该吸盘具有适应性强、抓持稳定、损伤率低等优点。上述两个团队均依靠抓取目标的物理特性参数设计末端执行器，故探索和研究杏鲍菇形态及力学特性，为加快杏鲍菇分拣机械装备的研发及降低杏鲍菇生产加工环节机械损伤具有重要的现实意义[4]。

农作物形态特征研究方面，肖奕同等[5]利用RGB相机采集大豆植株的多视角图像，通过Agisoft Photoscan软件重构植株点云并获取形态参数。对于农作物力学特性研究，叶大鹏等[6]采用万能材料试验机对“绿洲一号”穴盘苗茎秆进行拉伸、压缩、弯曲以及穴盘苗拔取脱盘试验，得到其对应的力学特性曲线与参数，通过仿真分析得到仿真值与试验值的偏差范围。Zheng等[7]利用质构仪对4个成熟阶段的番茄进行蠕变试验与穿刺试验，分析其成熟阶段、变形值和蠕变参数之间的相关性以及番茄轴向与径向之间的力学差异，向末端执行器设计提供可靠的力学支撑。

目前大部分研究仅对农作物的形态或力学其中一方面进行，且针对杏鲍菇的形态以及力学特性的研究较少。本文以成熟期的杏鲍菇为研究对象，开展形态及力学试验，结合统计分析的方法确定杏鲍菇形态特征及力学特性，为减少杏鲍菇分拣损伤以及杏鲍菇分拣末端执行器的设计提供理论指导。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料及仪器

试验材料选取福建省漳州市南靖县试验田同一批种植且无病害的子实体生长阶段的杏鲍菇（菇房层架式栽培）。形态参数试验中材料选取应遵循随机抽样原则，保证样本具备代表性。力学试验样本制作前，先将若干个杏鲍菇样本的菌盖切下进行含水率测定，选取其中含水率接近的杏鲍菇样本进行制样[8，"9]。

试验仪器选用：三维激光扫描仪（型号为MarvelScan，精度为0.02"mm）；质构仪（型号为Universal TA）；电子数显游标卡尺（精度为0.01"mm）。

1.2 杏鲍菇形态参数试验

1.2.1 杏鲍菇三维点云数据获取

杏鲍菇整体近似为圆柱体，除菌盖下沿以及菌褶部分存在光线遮挡外，其他部分均可见，故可采用三维扫描仪获取其形态结构数据并进一步开展三维模型构建。采用海克斯康三维激光扫描仪对随机选取的80根杏鲍菇进行三维点云数据获取，扫描过程中利用支撑杆将杏鲍菇固定于平板上，手持扫描仪对杏鲍菇进行全方位扫描（图1），旋转一周约用时20"s，一根杏鲍菇需扫描四周用时约80"s，采用该方法可实现高通量的杏鲍菇三维点云数据采集[10]。

1.2.2 杏鲍菇三维点云数据处理

由于扫描过程为人工手持扫描仪进行扫描，所以扫描过程中容易出现误扫与漏扫的情况，导致扫描出的杏鲍菇点云出现较为明显的离群点与孔洞（图2）。

首先，利用扫描仪自带软件先清除所得杏鲍菇点云数据中明显的离群点；然后，将该数据导入到点云处理软件CloudCompare中，利用软件中的边框P.C.A.拟合法对点云数据完成坐标校正，该操作过程：确定点云数据的主要方向并拟合边框，从而提升边框包围点云数据的效果；最后，采用软件中PoissonRecon算法插件对坐标校正后的杏鲍菇点云数据进行三维重建。

1.2.3 杏鲍菇模型参数获取

在农业领域常利用表型变异系数评价作物的形态多样性，较低的表型变异系数说明该形态特征相对稳定，在不同个体之间只有细微的差异，相反，当表型变异系数较高时，则表示该形态特征在不同个体之间差异显著[11]。表型变异系数的计算如式（1）所示。

[CV=SD／MN] （1）

式中： CV——表型变异系数；

SD——标准差；

MN——平均值。

将三维重建后的模型导入Pycharm中测取80根杏鲍菇样本的五个一维形态（纵径L、菌盖直径D1、头部直径D2、中部直径D3、尾部直径D4），一个二维形态（表面积）和一个三维形态（体积），其中，菌盖直径及尾部直径均取各自部位曲率最大处，头部直径取菌褶与菌柄的交汇处，一维形态物理指标如图3所示。运用数理统计学的方法计算出6个形态参数的最小值、最大值、平均值、标准差以及表型变异系数，通过比较每个形态的表型变异系数，得出每个形态的形态稳定性。

1.3 杏鲍菇力学特性试验

1.3.1 杏鲍菇分拣过程受力分析

在整个杏鲍菇分拣过程中，杏鲍菇通过末端执行器提供的作用力F（等效到杏鲍菇质心）与压力FN，克服自身重力G以及与末端执行器接触表面的摩擦力Fs（图4），在空间内形成了一个平面运动。杏鲍菇受到的作用力根据末端执行器的种类不同而产生变化，探究杏鲍菇在压缩、剪切及弯曲三种作用力下的力学特性。

1.3.2 杏鲍菇压缩试验

杏鲍菇不同部位的力学性能存在差异，故对其不同部位独立进行力学性能试验。利用水果刀切取杏鲍菇头部、中部以及尾端25"mm正方体作为压缩试验样本（图5），分别编码为A、B、C。

利用质构仪对杏鲍菇头部、中部与尾部样本分别进行径向压缩试验。采用量程为500"N的力传感器以及直径100"mm平板压头，设置加载速率分别为30"mm/min、40"mm/min，通过试验获得加载载荷—位移曲线及最大压缩力，按式（2）和式（3）分别计算其抗压强度以及弹性模量，每种加载速度重复10次试验，计算其平均值。

1.3.3 杏鲍菇剪切试验

利用水果刀切除杏鲍菇菌褶以及菌盖部分，将剩余部分平均分为头部、中部以及尾部3个部分，测取剪切面面积并记录。利用质构仪对杏鲍菇头部、中部与尾部样品分别进行径向剪切试验。采用量程为500"N的力传感器以及剪切探头，设置加载速率分别为30"mm/min、40"mm/min，通过试验获得的加载载荷—位移曲线及最大剪切力，按式（4）计算其剪切强度，每种加载速度重复10次试验，计算其平均值。

1.3.4 杏鲍菇弯曲试验

试验样本选取中部直径在30～50"mm无明显弯曲的整根杏鲍菇，并记录弯曲截面直径。利用质构仪对杏鲍菇样本开展三点弯曲试验，采用量程为200"N的力传感器以及弯曲夹具，设定弯曲下夹具的跨距为55"mm，设置加载速率分别为30"mm/min、40"mm/min，通过试验获得的加载载荷—位移曲线以及最大弯曲力，按式（5）和式（6）分别计算其抗弯强度和弯曲弹性模量，每种加载速度重复10次试验，计算其平均值。

式中： σ2——杏鲍菇抗弯强度，MPa；

E2——杏鲍菇弯曲弹性模量，MPa；

F3——最大弯曲力，N；

D——杏鲍菇弯曲前的截面直径，mm；

Δh——最大弯曲位移，mm；

y——弯曲下夹具跨距，mm。

2 试验结果分析

2.1 形态特征试验分析

杏鲍菇形态特征分析结果（表1）表明：通常情况下，杏鲍菇纵径分布在12.40～19.43"cm，菌盖直径分布在2.65～6.39"cm，头部直径最小，分布在1.90～6.11"cm，中部直径分布在2.06～6.24"cm，尾部直径最大，分布在3.24～6.94"cm，表面积分布在127.97～445.88"cm2，体积分布90.03～686.54"cm3。

通过对比杏鲍菇三维重建模型（图6）可以看出，单根杏鲍菇不同部位之间以及不同杏鲍菇之间的形态特征存在较为明显的差异。杏鲍菇形态特征变异系数分析结果表明：不同杏鲍菇之间三维形态（体积）差异极为显著，表型变异系数高达38.06%；二维形态（表面积）次之，表型变异系数为25.10%；一维形态差异较小，其中纵径的表型变异系数最小，为10.87%，菌盖直径、头部直径、中部直径、尾部直径的表型变异系数分别为20.41%、22.21%、22.43%、16.84%。

2.2 杏鲍菇压缩力学试验分析

将杏鲍菇头部、中部以及尾部的25"mm正方体作为压缩试样，采用30"mm/min以及40"mm/min两种加载速度进行杏鲍菇的压缩试验，得到其压缩特性曲线如图7所示，并对其进行数据处理，见表2。

由图7可知，曲线分为弹性阶段AB段与压紧阶段BC段，没有明显的屈服极限。压盘与杏鲍菇为面接触，压缩开始曲线AB段之中，杏鲍菇的抗压力与压缩位移存在线性关系（R2gt;0.999），故该段也为线弹性阶段，该阶段压缩压力卸载后，杏鲍菇仍然可恢复原状；当压缩位移增加到B点后，抗压力随着压缩位移增加而急剧增大，当压缩位移继续增大，杏鲍菇被逐步压紧，故B点为杏鲍菇的最大破碎点，其对应的抗压力为杏鲍菇的最大压缩力。

由表2可知，在两种加载速度下，杏鲍菇中部的抗压强度以及弹性模量均高于头部与尾部。当加载速度为30"mm/min时，杏鲍菇中部的抗压强度与弹性模量最大，分别为0.074"MPa、0.173"MPa；当加载速度为40"mm/min时，杏鲍菇尾部的抗压强度与弹性模量最小，分别为0.049"MPa、0.114"MPa。抓取末端执行器作用段应选择中部，该段拥有较大的抗压力学性能。同时，不同杏鲍菇之间抗压强度与弹性模量差异极大，变异系数均高于20%，所测得的杏鲍菇最大抗压强度与弹性模量为0.095"MPa、0.226"MPa，最小抗压强度与弹性模量仅0.029"MPa、0.065"MPa。

2.3 剪切力学试验分析

将杏鲍菇分为头部、中部及尾部作为剪切试样，采用30"mm/min以及40"mm/min两种加载速度进行杏鲍菇的剪切试验，得到其剪切特性曲线如图8所示，并对其进行数据处理，见表3。

由图9可知，在剪切初始阶段AB段，刀具切入杏鲍菇样本，载荷骤增，曲线迅速上升；随着切入位移的增加，受力趋于稳定，曲线BC段近似为线性；C点开始切入面积骤增，曲线CD段呈快速上升趋势，受力增加;当位移增加到D点时，杏鲍菇被切断，此时D点所对应的载荷即为最大剪切力；切断后，正在发生弹性回弹的杏鲍菇样本与刀具存在摩擦，导致曲线DE段存在波动。由于杏鲍菇是一种均匀少孔材料，切断前曲线AD段，受力面积以及受力的变化都较为稳定均衡，故曲线呈平滑上升趋势，无明显波动。

由表3可知，在两种加载速度下，杏鲍菇尾部的剪切强度高于头部与中部。当加载速度为30"mm/min时，杏鲍菇头部的平均剪切强度为0.020"MPa，中部的平均剪切强度为0.036"MPa，尾部的平均剪切强度为0.051"MPa；当加载速度为40"mm/min时，杏鲍菇头部的平均剪切强度为0.019"MPa，中部的平均剪切强度为0.026"MPa，尾部的平均剪切强度为0.038"MPa，不同杏鲍菇之间的剪切强度差异也较为显著，变异系数均大于12%，所测得的最大剪切强度达到0.06"MPa，最小的剪切强度仅0.014"MPa。

2.4 弯曲力学试验分析

将整根杏鲍菇作为弯曲试样，采用30"mm/min以及40"mm/min两种加载速度进行杏鲍菇的三点弯曲试验，得到其弯曲特性曲线如图10所示，并对其进行数据处理，见表4。

由图10可知，该弯曲特性曲线分为3个阶段：第一阶段AB段，该段为弹性变形阶段，弯曲位移随弯曲载荷呈线性关系逐渐增加，该段拟合曲线为y=2.875"53x，相关性系数[R2gt;0.999]；曲线到B点后，由于载荷过大，杏鲍菇内部受到一定程度的破坏，弹性回弹能力变差，导致第二阶段曲线BC上升速度逐渐变缓；当载荷增大到C点，杏鲍菇发生最大弯曲破裂，该点对应的载荷与位移分别为最大弯曲力及最大弯曲位移；由于杏鲍菇非脆性材料，无法一次性断开，最大弯曲截面仍未断裂完全，导致第三阶段曲线CD出现多个波峰。

由表4可知，在两种加载速度下，杏鲍菇的平均抗弯强度以及平均弯曲弹性模量差异不大，分别约为0.2"MPa、0.069"MPa。然而，不同杏鲍菇之间的抗弯特性存在较明显的差别，所测得的最小抗弯强度与最大抗弯强度分别为0.251"MPa、0.147"MPa，最小弯曲弹性模量与最大弯曲弹性模量分别为0.043"MPa、0.110"MPa，两项参数的变异系数均高于20%。

3 结论

1）"在形态特征测定试验中，经统计杏鲍菇的尾部平均直径最大，头部平均直径最小，一维特征的变异系数小于二维与三维特征，其中，三维特征（体积）变异系数最大（38.06%），说明杏鲍菇之间的形态差异较为明显，后续设计末端执行器需要考虑兼容性。相比于传统人工直接测量法，利用三维激光扫描法提高测量的效率与准确性，且获取的杏鲍菇模型也可以运用到后续的仿真分析中。

2）"在压缩试验中，在两种加载速度下，杏鲍菇中部的压缩力学性能均高于头部与尾部。当加载速度为30"mm/min时，杏鲍菇中部的抗压强度平均值为0.074"MPa，弹性模量平均值为0.173"MPa；当加载速度为40"mm/min时，杏鲍菇中部的抗压强度平均值为0.063"MPa，弹性模量平均值为0.156"MPa，抓取末端执行器抓取时，应优先选择中部进行抓取。

3）"在剪切试验中，在两种加载速度下，杏鲍菇尾部的剪切强度均高于头部与中部。当加载速度为30"mm/min时，尾部的平均剪切强度为0.051"MPa；当加载速度为40"mm/min时，尾部的平均剪切强度为0.038"MPa，不同杏鲍菇之间的剪切强度差异也较为显著。

4）"在弯曲试验中，在两种加载速度下，杏鲍菇的平均抗弯强度以及平均弯曲弹性模量差异不大，分别约为0.2"MPa、0.069"MPa，不同杏鲍菇之间的抗弯特性存在较明显的差别，抗弯强度与弯曲弹性模量的变异系数均高于20%。

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