本实验依托深视智能高速相机成功捕捉了番茄根茎脆性断裂全过程的瞬态图像序列。结合DIC分析，获取了裂纹萌生、扩展至应变能释放的全场变形数据，为农业机器人夹持与切割设计提供了定量力学依据。
番茄根茎作为典型脆性生物材料，在农业机械化作业过程中，其主茎与侧茎在外部载荷作用下常发生突发性脆性断裂。
断裂过程时间极短，传统接触式传感器难以有效捕捉裂纹萌生、扩展至完全断裂的完整动态响应历程，亦无法获取断裂过程中的全场位移与应变分布信息。
随着农业机器人、自动化移栽与采收装备的快速发展，设计端迫切需要掌握作物茎秆在机械交互过程中的力学响应特性与破坏模式。夹持机构的设计参数、切割刀具的几何优化以及输送路径的规划，均依赖于对根茎断裂行为的定量理解。
为此，本试验采用单目非接触式全场应变测量系统，结合高速图像采集技术，旨在系统获取番茄根茎在脆性断裂全过程中的变形场演化数据，为农业装备研发提供可靠的力学依据。
实验方法
2.1 试样制备
选取新鲜番茄根茎试样，首先测量主茎与侧茎的关键几何尺寸，随后将试样修剪至适宜长度以满足夹具装夹要求。
为确保单目DIC分析的追踪精度与识别可靠性，在试样表面均匀喷涂黑白相间的高对比度随机散斑图案（确保黑白各占50%左右），该散斑场作为变形计算的天然标记点。喷涂时控制涂层厚度，避免遮盖根茎表面微观纹理的同时确保斑点的边缘锐度与灰度反差。
2.2 图像采集
试验采用深视智能高速相机作为图像采集核心设备，在2560×2016分辨率下可实现4500帧/秒的拍摄速度，足以获取到番茄根茎脆性断裂过程中裂纹萌生与扩展的瞬态图像。
将高速相机固定于试样正前方，确保光轴垂直于试样表面，采集前对相机焦距、光圈及照明条件进行精细调节，获取清晰的散斑图像序列。
调节内容包括：确保散斑图案在视场范围内均匀聚焦、调整光源角度以避免表面反光造成局部过曝、设置适当的曝光时间以平衡图像亮度与运动模糊抑制。
2.3 加载与测量
将试样装夹于万能材料试验机配套夹具，采用位移控制加载方式，以恒定加载速率施加单调递增载荷至试样完全断裂。
与此同时，高速相机以固定帧率持续同步采集试样表面散斑图案，获取覆盖裂纹萌生、扩展至完全断裂全过程的时序图像数据。
3.1 全场应变云图分析
通过DIC系统对采集图像序列进行逐帧处理，计算试样表面各子区的应变张量分量，输出不同时刻的等效应变或主应变云图。依据应变场的时空演化特征，可将断裂过程划分为三个阶段：
①裂纹萌生阶段：应变云图显示局部区域出现显著的应变集中带，表明该位置率先达到材料的局部强度极限，微裂纹开始形成。此阶段应变梯度迅速升高，集中区域面积较小。
②裂纹扩展阶段：高应变带沿特定方向快速延伸，主裂纹路径在云图中清晰可辨。裂纹尖端前方持续存在高应变区，后方应变迅速松弛，体现出典型的脆性断裂特征。
③完全断裂释放阶段：裂纹贯穿试样截面，应变能瞬间释放。云图显示断裂面两侧应变数值急剧下降至近零水平，表面分离完成，结构失去承载能力。
3.2 裂纹两侧位移场定量提取
为进一步量化裂纹两侧的变形差异与断裂开口演化规律，在裂纹边缘区域对称选取若干对特征测点，逐帧追踪其空间坐标位移，分别提取两侧点在加载方向及垂直于裂纹方向上的位移分量
绘制各对测点的相对位移-时间曲线及位移-载荷曲线。分析显示：
裂纹萌生前，两侧测点的位移轨迹基本重合，相对位移趋近于零，表明试样处于连续变形状态；
进入扩展阶段后，两侧位移曲线发生显著分叉，相对开口位移随载荷增加呈非线性快速上升；
完全断裂时，曲线出现明显的位移阶跃或“剪刀差”式分离，标志断裂面完全脱开，结构刚度归零。
上述位移曲线与应变云图分析结果相互印证，共同构成断裂全过程完整的力学响应描述，为后续建立本构模型及开展数值仿真提供了高精度测量数据。
本试验成功将高速成像与非接触式全场应变测量技术应用于番茄根茎脆性断裂研究中，实现了从裂纹萌生到完全断裂全过程的变形场可视化与定量表征。
所得数据可直接用于农业机器人夹持力阈值设定、刀具结构优化及采摘路径规划等工程场景，亦为其他脆性植物材料的断裂力学研究提供了方法参考。
后续工作将进一步拓展至不同含水率、成熟度及加载速率条件下的断裂行为对比分析，以建立更具普适性的断裂判据与力学模型。
对比
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