組織培養苗生產自動化介紹
中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠
植物繁殖的方法通常可區分為種子繁殖，接技(嫁接)，無性切株繁殖與組織培養。利用組織培養技術進行繁殖之優點在於可以快速的進行無性繁殖，有良好品質，在繁殖時環境控制容易。然而此種種苗生產方式面臨如下的問題：投資成本龐大，需要高密集之人力，培養時期長，某些培養苗移植後成活率低、生產數量不易控制。近年來，研究人員著力於將組織培養程序加以機械化與自動化。而自動化之主要目標在於繁殖時生產環境微氣候控制與勞力之節省。
此文章之內容在於以自動化之觀點討論組織培養過程中自動化作業項目與現有之研究程度，並介紹己商品化之設備。並以產業經營之觀點，提出相關建議事項。
以產業之觀點，利用組織培養比傳統無性切株繁殖有如下優點：
1.快速之營養生長速度，2.減少母株需求，3.減少病害，4.減少運輸所需之空間，5.得到高品質植株，6.在密閉且環控下的環境成長，管理容易。然而組織培養作業對產業之最大缺點在於1.高生產成本，尤其勞力成本，2.初期投資資本極為龐大。勞力成本佔生產成本之比例自40％至90％，因生產地區之工資與作物種類而不同。為了降低勞力成本，組織培養技術的機械化與自動化已為產業界用以解決勞力成本問題之方法。在技術之開發方面，機械手臂之動作、影像處理技術、控制策略與培養空間內部微氣候控制，此三項主題為機械化與自動化成敗之關鍵技術。
為解決機械化與自動化問題，目前研究人員主要以三大方向加以努力：
1.傳統組織培養人力作業之自動化。
2.發展液體介質培養法以協助自動化。
3.發展新型栽培作業體系。
一、傳統組織培養人力作業之自動化
傳統組織培養之生產過程通常分為五階段。
準備階段：母株之選擇準備
第一階段：消毒、分割與接種期
第二階段：繁殖分化期；通常需要重覆15 次循環以獲得足夠之數量。
第三階段：根芽生長期；本期小株發展至可馴化階段。
第四階段：馴化健化期；小株自培養瓶中取出，放置於非無菌環境之介
質內，而存放於環控溫室，以作為適應自然環境之準備。
在第二階段之繁殖分化期，為到達預定之數量，通常經過5-15次之循環作業。在此階段生物性的污染、生理的失調、基因型態的變異與準植株活力之損失等因素都減少了繁殖分化數目，尤其前兩者因素影響性最大。為減短此繁殖期所需時間，需要增加有效繁殖因子。在每次繁殖分化期結束後，必需分割(切割)與移植準植株至新的培養器內，此階段之自動化作業為研究開發中最艱難的階段。
在第三階段，準植株必須移植至新介質，促使芽點生長與根部之分化。在此階段準植株其發展數目到達最大值，因此需要開發以機械臂等自動化移植作業以減低勞力成本。
在馴化健化第四階段，己成長之小植株自培養器中移出，並移植到多孔穴盤內，放置於溫室中進行健化作業。在此階段結束時，存活之植株往往需要選別與再移植，離開溫室之穴盤苗要求具有整齊性。此階段之機械臂自動化作業亦是十分重要。
綜合上述各階段之作業需求，為增加繁殖速率與減少勞力需求，除了選擇品種，培養基改良等方法之外，在工程技術之研發方面關鍵技術主要有四類：
(一)、環控技術：提供生長之最佳環境。
(二)、影像處理技術：植株之定位，品質選別與判斷等作業，取代人工之視覺等知覺動作。
(三)、機械臂技術：取代人工之手臂動作。
(四)、機械作業之控制策略：影像資訊之處理、進行判別、擬定決策並輸出命令之控制策略，通常為電腦軟體之型式，取代人員之智力判斷。
傳統上設施栽培自動化之主要作業項目可區分為三大項：
(一)、設施與溫室之結構與環控系統
(二)、內部作業自動化，包括種苗生產、運輸搬運、灌溉施肥等作業。
(三)、經營合理自動化，包括營運規劃、成本分析等。
組織培養作業中生長室可視為一個密閉且環控作業完善之大溫室，培養瓶本身可視為一個迷你小溫室。設施栽培自動化作業項目之分類亦可應用於組織培養作業。工程上自動化技術可應用於組織培養作業之主要的工作項目歸類如下：
(一)、環控作業
種植容器內部環境控制，包括氣體與培養介質之兩類環境。控制之因子如光照量、光質、相對濕度、風速、 pH與水潛勢等，另一項環控工作在於馴化苗生長溫室之環控作業。
(二)、移植作業
此部份之工作內容可再區分如下：
1.栽培介質之準備，包括混合、消毒等。介質分配於培養瓶、培養器之輸送等。
2.繁殖作業，包括植株之分割，再移植於新培養瓶內，內部含有培養介質與植株之培養瓶輸送作業，繁殖用設備之消毒等。
3.馴化期後移植穴盤之作業所需工作，如土壤介質準備，培養瓶之輸送、處理、植株之移植等。
4.產品之包裝、輸送、銷售等作業。
(三)、生產規劃與管理
生產規劃與管理係針對最後產品之數量加以規劃投入生產作業中各參數之數量，使成本最低而收益最高。
上述工作業項目中，可自工業現有技術直接加入引用有兩項：介質之準備作業與電腦軟體應用於生產規劃與管理。前者以食品工業為代表，有許多現存技術可利用於栽培介質之準備處理。工作內容包括介質配方之混合、消毒、加入栽培器內，栽培器之輸送等。在己有商品設備中，所能處理的容積有50公斤以上。荷蘭與紐西蘭兩國都有生產此類產品之公司可依業者需要接受訂製。
在生產規劃方面，利用工業生產管理之電腦軟體，修改加入組織培養作業之參數，即可用以此生產技術。以WINDOW EXCEL 程式語言為例，可用以完成組培苗生產分析軟體，只要填入（輸入）各項資料，如繼代培養週期、光照週期、培養液體積、每瓶接種數、各階段繁殖倍率。加上產品資料如污染率、不合格產品比率等、配合成本資料，可自動預測計算產品產量、生產所需時間、單位成本等資料，提供經營管理參考。
上述第四階段中，組培苗移至穴盤之移植、小苗成長後再移植、馴化溫室環境控制，此三項作業可沿用傳統溫室與設施生產自動化設備。例如土壤介質之準備處理、容器之輸送、植株之移植至穴盤等作業在溫室生產方面己有適用之設備可引用。
由上述討論可知，傳統組織培養作業自動化最艱難的項目在於培養瓶內部微氣候之環境控制與第二、三階段繁殖分化與根芽生長期。
(一)、培養瓶內部微氣候環控
目前組織培養在商業化生產階段，增加繁殖能力與縮短繁殖周期之方法不外乎改良培養基的配方，或改用液體培養基。近年來之研究顯示成長率與品質可藉由環控技術加以改良。利用光調節對生產周期之影響極大，目前之栽培方式其培養瓶二氧化碳濃度不足，空氣流動速度與光強度皆太低，相對濕度與乙烯濃度則相對太高，這些不利環境可利用環控技術加以調節。為應用自動化環控技術，首先須加大培養瓶之大小，利用自動化機械手臂作業，減少病菌感染問題，因此加大培養瓶並未增加病菌感染機率。另一類方式係用無糖培養基以減少病菌感染。此方式在日本己有多年研究，但其適用的作物仍然有限。
內部環境控制之研究現況，需要專文報導。
(二)、繁殖分化期自動化設備
以繁殖分化程序討論自動化的問題，組織培養以人工進行繁殖之過程如下：1).自栽培室傳送培養瓶至培養室，2).將培養瓶放置於無菌室之工作檯上，3).利用液體酒精，火焰消毒培養瓶表面，切刀，鑷子，與夾子等工具，4).打開培養瓶，5).自培養瓶取出頂芽放置於工作檯上於培養皿上。6).切下植株之節點或芽點，7).將繁殖瓶放在工作檯上，8).放置芽點於繁殖瓶內之培養基上，9).繁殖瓶加蓋，10).拋棄已切除之植株與不要之物質材料，11).放回繁殖瓶。
上述作業中，步驟1-4, 7, 9-11 可利用工業界所用之輸送設備加以作業而且不需要接觸植株。步驟5,6,8 必須依作物因品種的成長習性加以規畫。由於植株形狀的不規則性與作物本身容易受傷損害，因此增加自動化的困難度。
對上述5、6與8三項工作自動化作業，目前以三個方向設法解決。第一種方法是以機械手臂模仿原人工於工作檯上之作業動作。其次是完全的改變此繁殖方法以適合自動化需求，第三種方法則是結合前兩者方法。
此種技術之自動化依下列兩個條件分類：
1、有無影像處理系統﹖
2、如何切割植株之芽點、節點﹖目前之設計有單刀刃式，多刀刃式。
根據上述分類，現階段己商品化之組織培養自動化技術介紹如下：
1. 節點，直立芽植物之影像繁殖系統
(Multiplication robot with a vision system for plants with upright shoots and nodes)
此型系統以適合馬鈴薯，康乃馨，美國杉木等作物。已開發之自動化設備如圖 1，為Toshiba 公司產品。用以模擬原作業者坐在工作檯之動作。此機構有兩具機器手臂。第一具手臂為移植手臂，共有六軸，利用剪刀型切刀進行割取作業，並有夾持器進行檢拾、計數與輸送動作。最大線速度每秒一公尺。另一具手臂為三軸相互垂直之偵測手臂，具有雷射光產生器，雷射光掃描器，反射光聚焦器，與位置感應裝置，再配合32位元電腦進行影像運算運算用以確定植株節點的ｘ，ｙ，ｚ軸位置。
每次切割動作可割取一塊組織，所需時間約10～15秒，電腦性能增強時，可減少作業時間。此系統之作業流程如下：
(1). 輸送具已有培養母株之培養瓶與待移植之新培養瓶
(2). 確認母株節點位置
(3). 導引方向，挾持植株（挾持力自0至200g）
(4). 切下節點並挾持
(5). 消毒收取容器
(6). 移置節點至收取容器
(7). 重新定位節點位置，重覆2-6步驟
(8). 收取容器置滿後加蓋置於培養盤，再送到栽培室
英國研究人員曾報導開發另一型配合影像處理之機械臂繁殖系統。利用一具三軸相互垂直機械臂切割與移植植株。植株之辨識係利用由上方俯視X-Y軸向之影像攝影機加以定位Y型節點之方向與位置。節點位置定位的成功率為62％，植株移植成功率84％。在完成分割之後，以一條橫棒將切割下之節點在底部推至培養基內，使節點保持直立狀態。
2、 球根作物影像繁殖系統
(Multiplication robot with a vision system for bulbous plants)
三菱公司生產之此型設備如圖2 所示。其組成組件 1：根部切除設備。2：輸送臂。自外界容器取出球根並放置於球根鱗片分離器。3：球根鱗片分離器，利用附在直徑10公分之滾筒上的迴轉碟刀切開表皮，再以離心力刮離鱗片。4：球根鱗片分離後，單一小鱗片個別輸送至皮帶上。5：影像處理器。包含CCD 照相機，旋轉盤與電腦，用以測定球根鱗片之大小，形狀，方向與圓心位置等。6：移植手臂用以檢取球根鱗片並移植至栽培介質。此型移植設備具有４雙手指用以同時挾取四片鱗片，每一收取容器經兩次移植放入8片鱗片，每次移植動作需18 秒，一天工作量為4,800球根鱗片。
3、直立芽之植株，無影像處理之移植系統
(Multiplication robot without a vision system for plants with upright shoots)
Komatsu 公司所發展之此型設備之適用作物以馬鈴薯為代表，其結構如圖 3所示。系統包括消毒設備，分割與移植機構、培養容器、(60公分寬、60公分長、20公分高)培養盤及培養室。培養盤內有溶液供應設備、栽培液滴下設備與紫外光燈。利用0.4 ％過酸溶液之噴霧動作進行消毒作業。
利用微電腦控制分割與移植裝置。分割動作係利用多重極薄刀片，於預設高度以多行切割方式切下所需芽點，再送至收取容器。割取動作與割草機割取草地相似，切刀一次割取數百個芽點再送至目的容器。
日本Mitsui 石化工業與Ohtake技術聯合公司共同開發另一型繁殖系統，應用對象為迷你玫瑰。機械臂自試管培養皿檢取一段玫瑰芽點，分割成5段，移植至繁植用培養器之介質內，再加以覆蓋。每小時可移植240瓶。移植動作之消毒係利用紫外光。植株節點之位置大小係利用16雙光束加以進行。
4、多毛形幼芽或叢生型，無影像處理之移植系統
(Multiplication robot without a vision system for plants with bushy shoots or clumps)
此機器之以Kirin Brewery 公司為代表，適用作物如觀賞羊齒類植物。上視圖與側視圖如圖 4所示。
每具栽培容器（60mm*60mm*75mm）由輸送皮帶自供應箱一次輸送一具容器至無菌台，以真空圓筒去蓋。以切刀圓筒進入容器內將植株分成36個立體單位。每單位包含數個以上的植物。切刀圓筒夾持這些植株單位並移植到已填裝培養基的四具新培養容器內，每只容器放入 9個培養單位。移植的深度可用感測器調整。培養容器再以真空圓筒加蓋，送到目的輸送箱。每次作業完成後，切刀圓筒重新消毒。此型設備比人工快十倍。
(三)、馴化階段自動化設備
馴化階段的移植作業中，日本菸草公司針對馴化苗移植業，開發一種移植機械臂。利用工具照像機於側面與頂部進行影像處理，並以乏晰整合法判定植株的葉數，寬度、高度、形狀、顏色等。
二、以液體介質栽培法以協助自動化
利用液體介質取代膠狀培養基在組織培養上有如下優點：
(一)、液體介質容易由加壓邦浦輸送，使介質補充於培養基頂部或是完全更換介質，此種作業不需要移動栽培植株。
(二)、由於介質養份容易維持在一定濃度，在成長過程可改變配方成份，因此生長速率可提高。
(三)、可避免因為介質成份不均勻造成栽培物之間成長速度之不同。
然而液體介質之缺點如下：
(一)並非所有植物皆能在液體介質內成長良好，容易造成玻璃質化為嚴重問題。
(二)、在液體懸浮狀態下成長時，植物之成長方向易產生問題。
(三)、培養器輸送搬運時、液體溢出問題需特加留意。
利用液體介質栽培方式以配合自動化作業之研究己有十餘年，但尚少有商業化機械設備可供業者使用，更一種沿用之作業改良方式是利用振動栽培法與生物反應器。
三、展 望
對傳統組織培養之自動化作業而言，其關鍵技術在於以機械臂取代人力動作，並配合環境控制自動化。此外以液體栽培取代半固體狀介質亦為另一種新研方向。完整之組織培養自動化研究涉及領域極廣，例如生化技術、植物生理、電子技術、微電腦、機械臂技術、環控工程、材料科學等，必需以群隊力量才能達成。
組織培養自動化在企業經營方面最大的問題仍在於龐大的資本投資。要有足夠之產業規模才能回收此投資成本。因此如何就產業規模與需求，決摘最適當自動化之程度，此為採用自動化投術必須考量之問題。
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