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挤奶机器人对奶牛福利改善的研究
摘要：作为现代牧场生产的关键智能设备，挤奶机器人显著提高了牧场的管理效率和经济效益，还实现了传统人力驱动挤奶方式向奶牛自愿式挤奶模式的转变，使得奶牛更加自主自在，从而带来了奶牛福利革新。挤奶机器人通过模拟犊牛自然哺乳的节奏和力度，提升了牛奶产量和质量，有效降低了乳腺炎等疾病的发生率，实现了奶牛更加健康、长寿。本文综合现有研究和案例，基于动物福利的五个基本原则，综述了挤奶机器人给奶牛福利带来的直接和间接改善，探讨了挤奶机器人对“人-牛”协调关系福利提升的影响，进一步展望了挤奶机器人在改善奶牛健康和牧场管理水平上的发展方向。
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党的二十大提出要加快建设农业强国，发展设施农业等重大战略部署，近两年中央一号文件也提出要推进智慧农业发展。为响应国家战略部署，持续提升奶业现代化水平[1]，以挤奶机器人为代表的自动化、智能化设备在现代牧场中的应用逐渐增多。通过综合动物行为学、兽医学、机械工程等多个学科技术的融合创新，挤奶机器人的出现推动了技术革新，其应用不但有助于提高奶牛产奶量、减轻人工劳动强度，提升牧场经济效益；同时，还有助于提高动物福利。
近年来，动物福利对动物性食品安全的影响愈发引起社会各界的关注，甚至成为了发达国家通过非关税贸易壁垒制约发展中国家动物性食品出口的一种方式[2]。实现动物福利不仅有利于动物自身的生长发育、提升生产者的经济收益，也有益于保障消费者的食品安全。20世纪60年代以来，国内外许多学者和动物保护国际组织从不同角度阐述了对动物福利的理解。早期，动物福利是一个非常宽泛的概念，主要包括动物生理和心理两方面的需要[3]。随着研究的深入，目前国际上通用的动物福利定义是英国农场动物福利委员会（FAWC）提出的包括生理福利、环境福利、卫生福利、行为福利、心理福利在内的“5F”原则[4]。
相比欧美发达国家，我国动物福利起步较晚，但在观念意识层面已经有了很大程度提高，很多农场动物福利标准相继出台。在奶牛方面，2021年中国农业国际合作促进会动物福利国际合作委员会颁布了《农场动物福利要求-奶牛》，是中国首个奶牛福利团体标准[5]。但整体上，我国还存在动物福利科学研究滞后、动物福利法律不健全以及动物福利保障措施不到位等问题[6]。而挤奶机器人作为服务于牧场最核心的环节，带给牧场的改变不只是简单的人工替代，更是养殖理念的根本转变[7]，对奶牛福利的改善更是具有长远价值。本文针对挤奶机器人提升奶牛福利的主要方面进行探讨，为现代化牧场奶牛健康管理及福利保障提供参考。
1、挤奶机的发展现状
1.1 国外挤奶机发展现状
1879年，美国人Anna Baldwin发明了世界上第一台挤奶机[8]，但因其会对奶牛乳房、乳腺造成机械损伤，最终未能推广应用。1903年，澳大利亚牧民Alexander Gillies发明了挤奶机正式开始取代手工挤奶[9]。这一阶段的挤奶机以移动式、提桶式为主，功能单一、机械化程度不高。20世纪60年代末70年代初，挤奶机行业快速发展，出现了多种类型的挤奶机，包括管道式挤奶机、中置式挤奶机以及转台式挤奶机，实现了批量化的奶牛挤奶操作，工人日常体力劳动主要集中在人工套杯、脱杯等操作以及驱赶奶牛至挤奶厅等，挤奶机进入了高度机械化阶段。随着传感器技术、自动控制技术、计算机视觉技术和机器人技术的高速发展，20世纪末挤奶机器人诞生，挤奶机的发展进入全自动化、无人化阶段。挤奶机器人有单体式（或箱式）和转盘式两种，近年来，单体挤奶机器人开始广泛推广，基本能够实现无人化的奶牛自主挤奶。
目前，挤奶机器人的厂商主要有瑞典的利拉伐（DELAVAL）、荷兰的莱利（LELY）以及德国的基伊埃（GEA)[10]。利拉伐始创于1883年，其创始人古斯塔夫·利拉伐是一位发明家，于1878年发明了离心式奶油分离器并申请了专利，一生中共获得过92项瑞典专利。1998年，利拉伐推出了自愿挤奶系统VMSTM，即通称的挤奶机器人，并持续更新。VMSTM V300是目前最新一代产品，可实现奶牛自主挤奶，并可通过引导式奶牛交通实现更高的挤奶效率，让“自愿挤奶”这一全新的养殖理念和规模化牧场对效率的追求更好的融合。2019年，利拉伐推出精准繁殖监测系统ReProTM，应用于V300，可在挤奶时自动检测奶样，监测奶牛繁殖系统状态，如发情和怀孕状态等，在无应激的前提下，帮助提高奶牛的繁殖效率和健康。这些技术的集成不仅提升了牧场运营效率，也极大提高了奶牛福利。莱利2018年推出的第五代Astronaut A5挤奶机器人采用了触控屏界面简化了操作流程。最新的基伊埃R9500挤奶机器人可灵活选择单箱或多箱系统，结合新一代3D影像技术定制供给单元，实现最大程度的水电资源节约[10]。
1.2 国内挤奶机发展现状
国内挤奶机的发展起步较晚，20世纪60年代，北京和上海的一些牧场开始试制和应用旋转式挤奶台[9],70年代，我国奶牛挤奶主要以移动式和提桶式挤奶机为主，普及率还不到0.5%。1979年深圳光明华侨农场引进国内最早的商业化挤奶机[11],1980年北京市农机研究所、北京市自动化研究所与北郊农场牛场协作，研制成功了我国第一台电动自控挤奶机[12]，国内现有挤奶机生产厂商有广州万日、河南力欧、河南新东、河北华昌、山东意美特、成都鑫道成、上海爱励和北京嘉源等[13]。近年来，国内学者、专家开始围绕挤奶机器人机械臂等关键部件开展了系列研究[14,15]。目前，由于材料、工艺水平等方面的限制，我国大部分智能挤奶设备仍处于设计研究或样机试验阶段，国内牧场应用挤奶机器人主要为国际品牌。2004年，我国首次引进了利拉伐公司的VMSTM系列产品。预计2024年底，将有超过200台利拉伐挤奶机器人在国内投入使用，使用自愿挤奶系统的奶牛头数将超过万头。
利拉伐VMSTM V300挤奶机器人
2、挤奶机器人对奶牛福利的改善
挤奶机器人通过提供更为“牛”性化、智能化的挤奶解决方案，显著改善了奶牛的福利状况。
2.1 有利于奶牛生理福利改善
挤奶机器人对奶牛生理福利的改善，体现在优化挤奶这一奶牛日常的核心环节和减少疾病两方面。
一方面，挤奶机器人为奶牛提供了合理并且持续一致的挤奶过程。奶牛是习惯性动物，保持规律的日常流程有助于帮助降低奶牛应激。挤奶机器人温和且一致的挤奶动作和操作流程，在保护奶牛的乳房健康的同时，增加了奶牛的挤奶舒适度。此外，挤奶机器人背后的自愿挤奶的养殖理念给予了奶牛尽可能接近自然状态的生活环境，让奶牛按照自己的生理需要自主挤奶、采食、休息，增进了奶牛福祉，有利于奶牛健康，从而可能带来挤奶效率以及牛奶质量等相关改善。意大利Verde等[16]在一项针对挤奶机器人的研究中发现，使用利拉伐VMSTMV300挤奶机器人可能具有更高的效率和效能，可显著改善生鲜乳的乳脂肪和乳蛋白含量，生鲜乳的产量也明显提高，最高可达10%。美国Diamond H牧场的牧场主Hooker指出[17]，产量提升与挤奶机器人实现分区挤奶有关。以利拉伐VMSTM V300为例，该机器采用了液压机械臂，配备ToF摄像头，能够精确定位乳头，实现各乳区单独套杯、独立脱杯，避免了传统挤奶机“一刀切”的缺陷。巴西的Córdova在研究中指出[18]，挤奶机器人可以实时管理奶牛的体况评分（BCS），结合运动评分（LCS）和乳头末端评分（TES）等数据，从而促进决策，提高管理水平，增加产奶量并改善福利。
另一方面，挤奶机器人的使用可以帮助减少疾病，提升奶牛健康福利。挤奶机器人优化了奶牛乳房消毒流程，并且能够保证流程的有效执行，配合良好的牛舍卫生管理，可以最大可能地避免病原体的侵入、外伤和不当的挤奶操作，环境卫生差等多种感染途径。VMSTM挤奶机器人采用独立的透明挤前准备奶杯，使用温水和气流清洗乳头，根据需要也可以添加清洗剂，在清洗的同时挤前三把奶，给予每个乳头有效的清洗和预刺激。机器人的套杯、挤奶操作流程始终保持一致，奶牛更适应。VMSTM挤奶机器人的配套软件还能监测乳房炎相关数据，通过乳房炎检测指数MDi，帮助牧场及早发现并介入治疗乳房炎，降低奶牛乳房炎发生率。北京奶牛中心监测数据显示，应用挤奶机器人挤奶的奶牛，所产生鲜乳体细胞数较低[19]。此外，VMSTM V300可以配套的精准繁殖检测系统，挤奶时自动取样，通过监测奶样中的孕酮，可以帮助揭发发情、提示配种时间、怀孕确认，还可以监测产后乏情、黄体囊肿、卵泡囊肿、早期胚胎死亡、流产等繁殖系统异常，帮助牧场尽早干预，提升奶牛的繁殖健康。
2.2 有利于奶牛环境福利改善
挤奶机器人可以为奶牛提供更为卫生、安静、应激小的挤奶环境，配合良好的牧场规划设计和牛舍管理，可以改善奶牛的环境福利。首先，和传统奶厅不同，挤奶机器人位于牛舍中，奶牛不再需要每天多次被驱赶、往返于奶厅和牛舍，减少了因此带来的应激和压力，并使其可以更加自由的安排自己的作息。挤奶机器人的运行噪音更低，为奶牛提供了更为安静舒适的环境。此外，据多个牧场的统计分析，VMSTM V300挤奶机器人能够帮助牧场节约资源，降低电力和水资源的使用，符合产业可持续发展的要求。部分先进的智能牧场可实时监控牧场内温度、湿度等，进一步改善奶牛的生活环境。随着科技不断进步，挤奶机器人在提升奶牛生活环境福利方面的潜力将得到更多的挖掘和实现。
2.3 有利于奶牛行为福利改善
使用挤奶机器人后，除了能减少奶牛每天被驱赶着往返于牛舍和奶厅的应激，最重要的是，奶牛可以按照自己的节奏决定采食、挤奶、休息的时间，从而表现出更自然的采食、反刍、休息等行为，有利于提升奶牛的整体健康水平。加拿大King等[20]研究还发现，使用挤奶机器人的牧场，奶牛严重的跛行比例降低，反映了奶牛压力水平的降低，同时，这些牧场牛奶的蛋白质水平也相应更高，牧场工人精神健康水平也相应更好。牧场人员的精神状态也会影响到奶牛饲喂、牛舍卫生等一系列工作，影响到奶牛的体况评分和整体健康水平，进而影响牛奶的产量以及质量。
2.4 有利于奶牛心理福利改善
挤奶机器人带来的“自愿挤奶”的养殖模式中，人员对奶牛日常生活和行为的干预更少，减少了奶牛由此产生的心理应激，使得奶牛的心理也处于较高的康乐水平，从而能够带来全面的健康提升，进而影响到奶牛的长寿福利。加拿大Tuxedo Farms牧场的牧场主Jespersen认为，使用挤奶机器人后的奶牛更加长寿，并且幸福[21]。加拿大Comestar Holstein牧场的牧场主Comtois认为在使用挤奶机器人后牧场的奶牛胎次增加，是奶牛长寿的间接体现[22]。一些牧场还通过挤奶机器人管理系统，根据每头奶牛的不同情况和需求设定单日挤奶次数，即使有些奶牛每天只挤一次奶，其意愿或需求也可以被尊重。使用挤奶机器人的牧场由于工人劳动量轻、工作环境更为舒适，使得工人和管理者有更多精力与牛交流并关注到个体牛的需求，也更进一步地改善了奶牛心理福利。
3、总结
挤奶机器人在不断提升产品性能、丰富产品功能的同时，重要方向之一是密切关注和改善奶牛福利，这包括提高挤奶操作的精准度和一致性，开展更智能的奶牛身心健康数据分析与预测，实现与其他牧场智能设备的互联互通，以及促进更友好的“人-牛”及牧场关系模式。重视和推动农场动物福利的发展有助于进一步确保动物性食品的安全性，并提升农场动物及其饲养者的福祉。未来，在加速挤奶机器人技术提升的同时，应加深对先进设备与奶牛福利关系的研究，完善奶牛福利体系，以满足现代化养殖场发展需求，进而推动奶业发展。此外，在推动智慧牧场的现代化进程中需考虑如何传承和保护传统农牧养殖文化中“人-牛”协调的关系，促进奶牛养殖的健康可持续发展，实现人与自然、农场动物之间的和谐共生。
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文章来源:李嘉岩.挤奶机器人对奶牛福利改善的研究[J].中国乳业,2024(06):9-13.
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2024-07-04
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2024-07-04
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