2024年2月16日，西北农林科技大学机械与电子工程学院牛子杰副教授在农林科学类期刊Computers and Electronics in Agriculture（中科院一区Top）发表了题为“Ultrasonic cutting mechanism of clustered tomato stems fiber based on the piezoelectric effect”的研究论文。论文第一单位为西北农林科技大学机械与电子工程学院，硕士研究生辛迪为第一作者，牛子杰副教授为通讯作者。
针对簇生果蔬留给末端执行器作动的空间均比较小，相比于果蔬表面，果梗的纤维质地略硬，两者之间差异较大等问题，本文以簇生番茄为例，提出将超声技术应用于农业采收方向。常规切割的方式在簇生番茄采收中存在所需作用力大且易损伤果实、切割表面质量难以保证等问题，超声切割的方式具有切割力小、切割耗时短和断面质量高等优点，可以很好的解决簇生番茄切割采收效果不好的问题，但是超声切割过程中纤维断裂和去除机理尚不明确。本文利用理论-有限元-试验的方法重点阐述了超声切割相对于常规切割簇生番茄果梗的切割力、切割耗时和断面质量，主要内容包括1）建立了超声切割果梗的切割力模型，根据切割力模型进行了Matlab仿真；2）从宏观角度通过热机械耦合对比了切割过程中的应力和温度变化；3）从微观角度考虑了果梗纤维、基体和界面的三相组件，通过纤维束断裂仿真分析了去除机理和断面形貌；4）自制试验台，以激振频率、电压、切割速度和角度为自变量进行了常规和超声切割簇生番茄果梗的对比试验并使用扫描电镜观察断面质量。
结果表明：试验结果和仿真结果具有一致性，超声振动可以很有效地降低切割力、缩短切割耗时和提高表面质量，相对于传统切割簇生番茄果梗具有明显优势。
基于压电效应的簇生番茄采收超声切割机理分析示意图
研究工作得到了国家自然科学基金重点项目、陕西省重点研发计划一般项目和国家重点研发计划等项目经费的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compag.2024.108749