Field Demonstration of a Two-Stage Rotary-Nozzle Dispenser for Aerial Shrimp Feeding

在阳光明媚、水面平静的虾类养殖场中，最关键的任务也是最难做好的任务：将食物送到动物口中。虾不像牛羊那样通过觅食来进食；它们等待着食物的到来，如果食物掉落在同一个地方或时间不对，后果将是代价高昂的。未被吃掉的食物会腐烂，导致水质恶化并使动物产生压力，而错过的餐食则会阻碍它们的生长。几十年来，养殖户一直依赖于池塘边缘的固定式机器或从船上人工投喂，但这些方法难以在现代大型池塘广阔且开阔的水面上实现均匀覆盖。挑战不仅在于将食物投入水中，还在于如何从一个点出发，将食物广泛且一致地撒开，同时还要对抗风力和落料颗粒的物理特性。

这正是使用无人机这一构想进入视野的地方。无人机可以悬停在池塘的任何部分，理论上解决了覆盖范围的问题。然而，仅仅将一桶食物挂在无人机上并让其落下是不够的。风会将轻质的颗粒吹离航线，而无人机旋转的螺旋桨产生的向下气流也会使食物的分布变得难以预测。真正的工程难题在于，如何在无人机震动并穿行于空气的过程中，将食物从无人机内部的储料容器移动到出口点，并让该出口点旋转以实现食物的散布。

来自塞舌尔群岛发展公司（Islands Development Company）和印度 Angarud Aerobotics 的研究团队决定测试一种特定的机械解决方案。他们制造了一架无人机原型和一种特殊的喂食装置，以测试这种机械结构在现实世界中是否可行，具体是在科蒂维岛（Coëtivy）的一个商业虾类养殖场上。他们的目标并不是为了证明这种方法能立即省钱或让虾长得更大，而是为了回答一个更简单、更基本的问题：无人机能否成功携带少量饲料，通过机内的机器进行移动，并旋转喷嘴将其撒入水中，而机器不会发生卡顿或故障？

研究人员制造了一架小型六旋翼无人机（这类无人机常用于摄影和巡检），并在其下方安装了一个定制的喂食器。该喂食器设计有两个相互独立的部件。第一部分是一个小型电动推杆，其作用像一只温柔的手，将虾饲料颗粒从静止的储料斗向下移动到下层腔室。第二部分是位于最底部的旋转转盘，上面有两个朝向相反方向的喷嘴。这种设计非常巧妙，因为这意味着沉重的储料桶不需要旋转，只有小型的出口喷嘴在旋转。这种分离使得无人机能够稳定地携带饲料，同时喷嘴通过旋转将颗粒向外抛撒。

为了进行测试，团队为无人机装载了约半公斤的虾饲料。随后，他们手动操控无人机飞越一个大型矩形虾池。试验当天的天气并非完全平静，风速在每秒 4.0 至 6.7 米之间，属于中等微风。尽管有风力和无人机电机的震动，团队仍成功完成了三次独立的飞行。在每一次试验中，无人机起飞，飞越水面，内部推杆成功将饲料移入下层腔室。随后，旋转转盘开始旋转，两个喷嘴将颗粒释放到下方的空气中。机器没有卡顿，饲料没有卡住，颗粒也按预期落下。

这三次飞行的成功是向前迈出的重要一步，但研究人员对自己的结论非常谨慎。他们证明了机械链条是通畅的：无人机可以携带负载，推杆可以将食物移动，且旋转喷嘴可以释放颗粒。然而，他们明确指出，他们并未测量食物的分布效果如何。他们不知道颗粒是否呈完美的圆形落下，有多少颗粒在撞击水面时破碎，也不知道有多少被风吹偏了位置。他们也没有测试无人机是否能飞足够长的时间来喂养整个农场，因为这半公斤的负载对于真正的商业运营来说太少了。

论文接着概述了一个全规模版本的系统需要具备什么样的特征，将已证实的实事与未来的计划区分开来。研究人员提出，未来的无人机每次飞行需要携带 25 公斤的饲料，这需要比他们测试的型号更大、更强大的飞行器。他们描绘了一个完整的农场服务愿景：无人机降落在专门的码头上，自动从大型料仓中补充饲料并充电。这个未来的系统还将配备一个更先进的喂食器，拥有三个可调节角度的喷嘴，用以对抗风力，而这个功能在小型原型机上是没有的。

作者明确表示，这些更大、更复杂的想法目前仅属于设计和计算，而非经过测试的现实。他们已经计算出，携带 25 公斤饲料的无人机需要巨大的储料空间和强大的电池来完成任务。他们还制定了一个详细计划，规划无人机如何飞往池塘的不同点，等待风向合适时释放食物。但在此之前，在建造出符合这些更大规格要求的机器并进行测试之前，这些都仅为提议。目前的研究证明了带有旋转喂食器的无人机这一基本概念是可行的，但它留下了如何使其高效、精准且具备商业可行性的艰巨任务，交由下一阶段的研究。

最终，这项工作是一项概念验证。它表明，即使在风力和震动环境下，空中虾类喂食器的“机械心脏”也能在现实世界中跳动。团队展示了将“移动食物的任务”与“旋转喂食器的任务”进行分离的方法，并且证明了这种分离在飞行器上是行得通的。虽然通往一个完全自动化、具备抗风能力的 25 公斤交付系统的道路依然漫长且需要多次测试，但本研究提供了第一个具体的证据，证明该机械装置可以按预期运行。它将一个理论上的构想转化为了一个运作中的机器，为未来将这种飞行喂食器转化为虾类养殖业标准工具所需的实验奠定了基础。