EDEM-RSM手法を用いた尿素スーパ―顆粒（USG）用電子セル式メータリング機構の作動パラメータのモデリングおよび最適化

なぜ賢い肥料供給が重要なのか

世界中の米農家は収量を高く維持するために窒素肥料に頼っているが、多くの肥料が水に流出したり強力な温室効果ガスとして放出されたりして浪費されている。これらの損失を減らす一つの方法は、コンパクトな尿素スーパ―顆粒（USG）を稲根の近くの土中深くに置くことである。本稿は、これらの顆粒を必要な場所に正確に落とすことのできる新しい電子装置を記述し、実地投入前にコンピュータシミュレーションで設計を微調整する方法を説明する。

手作業からスマート機械へ

USGの深層配置は、稲の収量を最大40%向上させ、窒素利用効率をほぼ倍増させることが示されている。しかし各顆粒を手で配置するのは時間がかかり疲労を伴うため、多くの農家はこれを避ける。従来のUSG配置用具は手作業を必要とし、常に均一な間隔を与えるとは限らなかった。著者らは、田植機に取り付けられ、自動的に適切な位置へUSGを供給し、人手を最小限にする電子メータリングシステムを設計することを目指した。

新装置が各顆粒をどのように供給するか

システムの心臓部は、周辺に4つの小さなポケット（セル）を持つ回転ローラーである。その上部にUSGで満たされたホッパーがある。ローラーが回転すると、それぞれのセルは理想的にはちょうど1粒の顆粒を捕捉し、それを配給管へ放出して苗の4株の間にある溝へ運ぶ。ステッピングモーターはArduinoマイクロコントローラによって制御され、回転エンコーダーを通じて田植機と同期することで、植え付けごとにローラーが適切な回転角を回るようにする。チームは3Dプリントしたローラーでポケットサイズを変更でき、ローラー速度やホッパーの充填レベルを調整してこれらの要因が性能に与える影響を調べた。

仮想顆粒で設計を調整する

研究者らは実験室での試行錯誤だけに頼るのではなく、離散要素法（DEM）を用いてシステムの詳細なコンピュータモデルを構築した。これは何千もの個々の粒子がどのように移動し衝突するかをシミュレートする手法である。彼らはUSG顆粒の形状と物理的特性、ホッパーとローラーの幾何形状、プラスチック部品と肥料との接触を再現した。シミュレーション内のセンサーは各セルに入った顆粒数、セルが空だった頻度、複数粒を含む頻度を計測した。次に応答曲面法（RSM）という統計的手法を適用し、ポケット面積、ローラー速度、ホッパー充填レベルの組み合わせを探索して、主に単一粒が入る満杯のセルを得られ、欠落や多重が非常に少ない設定を探した。

均一供給のための最適点を見つける

シミュレーションは明確な傾向を示した。ポケットが大きいほどセルが満たされる確率は高まるが、同時に複数粒を捕捉するリスクも上がる。ポケットが小さく、ローラー速度が非常に速いと、顆粒が定着する時間が不足してセルが空になる傾向があった。ホッパーの充填が多いとセルの充填は助かったが、単一粒か複数粒かにはほとんど影響しなかった。これらの効果をバランスさせた結果、最適化はポケット面積約1088平方ミリメートル、ローラー速度は約0.25メートル毎秒、ホッパー充填は容量の3/4という条件を示唆した。この条件下でモデルはセルの完全充填、単一顆粒セルの高比率、欠落や多重の非常に低い発生率を予測した。

モデルの実地検証

仮想結果を確認するため、チームは最適化されたポケットサイズの物理的メータリングユニットを製作し、土槽の試験治具に取り付けた。ローラー速度とホッパー充填を選定値に設定して、セルがどれくらいの頻度で充填されるか、正確に1粒を含むセルの割合、溝に沿った顆粒の間隔がどれほど均一かを測定した。実際の結果はシミュレーションとよく一致し、セルの97%が充填され、91%が単一顆粒を供給し、空や多重のセルはごくわずかだった。10メートルの走行では、土中の顆粒のパターンは受け入れられる均一性の基準を満たした。簡単な費用分析では、田植機と組み合わせた場合、装置は約1.5年の使用で元が取れる可能性が示唆された。

農家と気候にとっての意義

簡潔に言えば、本研究は田植機のアドオン装置を設計することで、手作業よりずっと少ない労力でUSG肥料顆粒をほぼ完全に配置できることを示している。詳細な粒子シミュレーションと実験室試験を組み合わせることで、ほぼ1粒ずつの供給を規則的に行える動作設定が特定された。広く採用されれば、そのようなシステムは窒素の施用量を削減しつつ収量を維持・向上させるのに役立ち、費用削減と水田からの温室効果ガス排出削減の両方に寄与する可能性がある。

引用: Swain, S.S., Khura, T.K., Arjun, P. et al. Modelling and optimization of operating parameters of an electronic cell type metering mechanism for urea super granules (USG) using EDEM-RSM approach. Sci Rep 16, 15622 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43407-w

キーワード: 尿素スーパ―顆粒, 稲作用肥料, 精密農業, 肥料供給装置, 離散要素法