科學家們開發(fā)了一種不破壞水果就能測量其成熟程度的便捷技術。

來源 日本芝浦工業(yè)大學

水果不論是熟過頭還是沒熟透的，吃起來的味道都會讓人“記憶猶新”。為了讓你不再經歷這種痛苦，農業(yè)工作者們正在努力尋找最恰當的收獲時間，讓水果在銷售的時達到最佳的成熟度。這不僅可以減少浪費，也可以讓你買到品質最佳的水果。為了實現這一目標，人們發(fā)明了各式各樣的方法，但各有利弊。

雖然生物化學和視覺識別的方法都可以用來判斷水果是否成熟，但利用機械技術測量才是最常用的方法。后者主要通過測量水果的緊實程度來間接確定水果的成熟度，這通常需要測定水果在被錘擺等器具擊中時產生的震動。然而，這樣直接接觸的方法通常會對質地較軟的水果造成損壞，因此使用范圍有限。比如，你可以通過感受拍西瓜時的震動來判斷生熟，但是在挑草莓的時候這種方法顯然行不通。

最近，來自日本芝浦工業(yè)大學（Shibaura Institute of Technology）的團隊基于此前利用激光誘導等離子體（laser-induced plasma, LIP）測量硬水果的研究，發(fā)明出了質地更軟水果的緊實度測量方法，相關研究發(fā)表在 MDPI 旗下的開放獲取期刊《食物》（Foods）上。

等等，激光誘導等離子體到底是什么東西？怎么還能用來測量水果是否成熟？等離子態(tài)是一種類似于氣態(tài)的物質狀態(tài)。處于等離子態(tài)的物質微粒通常帶有電荷。這種充滿能量的物質狀態(tài)可以通過用高強度的激光束照射小體積空氣產生。因為這種方法產生的“等離子泡泡”很不穩(wěn)定，所以這些“泡泡”會很快“破裂”形成超聲速傳播的沖擊波。芝浦工業(yè)大學的 Naoki Hosoya 教授及其同事曾成功在距離蘋果表面很近的位置生成了激光誘導等離子體沖擊波。沖擊波接觸蘋果后被激發(fā)出了被稱為S2模式的震動。由于這種模式的震動造成的形變和足球被踢飛時一樣，因此又被稱為“足球模式震動”。隨后，他們確認了S2這一震動模式與水果的緊實度相關。

然而，質地較軟的水果并不會表現出S2模式震動，所以研究團隊只能用另一種被稱作瑞利波（Rayleigh wave）的震動來分析。這種行波通常只在物體的表面行進，并不會深入物體內部。在一個激光誘導等離子體的發(fā)射裝置、一臺市面上常見的激光測震儀還有幾個肯特芒的幫助下，科學家們確定了瑞利波的傳播速度與芒果的緊實度是直接相關的。隨著芒果儲存時間的增加，波的傳播速度會顯著下降。這說明他們找到了一種間接測量芒果成熟度的可靠方法。

團隊進一步測試了在芒果表面的哪個位置測量瑞利波是最合適的。因為芒果有一個很大的核，這可能會對瑞利波的傳播和測量造成影響。Hosoya 表示：“通過實驗我們發(fā)現，沿著芒果‘赤道’部分測量會比沿著‘本初子午線’測量的效果要更好?！彼麄冞€發(fā)現水果內的空腔或者水果的腐敗會顯著影響測量結果。因此他們會繼續(xù)尋找芒果上最適合測量的區(qū)域。

激光脈沖通過透鏡聚焦在一個接近芒果表面的地方。激光誘導等離子體產生的沖擊波在芒果表面激發(fā)出了瑞利波。激光多普勒測震儀將會測量這一波動。圖片來源:SHIBAURA INSTITUTE OF TECHNOLOGY

簡而言之，芝浦工業(yè)大學的團隊構建了一套從外部測量軟質地水果成熟度的創(chuàng)新性方案。Hosoya 強調：“我們的檢測體系可以通過非接觸、非破壞性的手段測量芒果以及其它不引發(fā)0S2模式震動的水果?！睘榱嗽谵r業(yè)生產中獲得實際應用，這種測量方法的可行性和可靠程度還需要提升。如果運氣好的話，這項技術的廣泛使用能讓你再也不用擔心買到生水果了。

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-03/siot-tti030121.php

論文信息

【標題】Soft Mango Firmness Assessment based on Rayleigh Waves Generated by a Laser-Induced Plasma Shock Wave Technique

【作者】Nayuta Arai, Masafumi Miyake, Kengo Yamamoto, Itsuro Kajiwara, Naoki Hosoya

【期刊】Foods

【日期】2021年2月3日

【摘要】Many methods based on acoustic vibration characteristics have been studied to indirectly assess fruit ripeness via fruit firmness. Among these, the frequency of the 0S2 vibration mode measured on the equator has been examined, but soft-flesh fruit do not show the 0S2 vibration mode. In this study, a Rayleigh wave is generated on a soft mango fruit using the impulse excitation force generated by a laser-induced plasma shock wave technique. Then, the flesh firmness of mangoes is assessed in a non-contact and non-destructive manner by observing the Rayleigh wave propagation velocity because it is correlated with the firmness (shear elasticity), density, and Poisson’s ratio of an object. If the changes in the density and Poisson’s ratio are small enough to be ignored during storage, then the Rayleigh wave propagation velocity is strongly correlated to fruit firmness. Here, we measure the Rayleigh wave propagation velocity and investigate the effect of storage time. Specifically, we investigate the changes in firmness caused by ripening. The Rayleigh wave propagation velocity on the equator of Kent mangoes tended to decrease by over 4% in 96 h. The Rayleigh wave measured on two different lines propagated independent distance and showed a different change rate of propagation velocity during 96-h storage. Furthermore, we consider the reliability of our method by investigating the interaction of a mango seed on the Rayleigh wave propagation velocity.

【鏈接】https://www.mdpi.com/2304-8158/10/2/323