「摇晃」樱桃树、采摘西红柿、抓起小树莓,AI时代的农业机器人要上天了

整理 | 王宇欣 藤子

来源 | wired


对于人类来说,摘樱桃是一个费时费力,但简单的事情。但对机器来说,并不是如此。


对于如何使用机器采摘樱桃,华盛顿州立大学的研究员已经开发出算法,来解决这个问题。首先,扫描樱桃树的枝干,得到枝干一个模糊的方位,确定抓住枝干哪个部位能摇下更多的樱桃——最高要达到 90%。


其次是搞清楚,机器人应该抓住哪里摇晃枝干。


目前,研究人员正在研究一种特殊的樱桃树,这种樱桃树会生长出被业界称为 UFOs 的「直立主枝树形」,一些传统的丛生树也许会将果实隐藏在树干的核心部位,而这种树的枝干呈水平弯曲,树枝向上垂直生长。这种树形适合手工摘取或者机械化劳作,但是这对算法来说也是一个挑战。


华盛顿州立大学农业机器人专家 Manoj Karkee 表示,「在许多不同的情况下,树枝都被浆果和叶子遮住了。我们使用了一些数学模型根据水果群簇的方位以及一些可见的树枝来估计它们的位置。」


「我们发现如果我们在大约 1/3 的高度开始摇晃树木,能够摇掉 70%- 80% 的樱桃,」Karkee 表示。「剩下的樱桃,我们在约 2/3 的高度再进行摇晃。」在 6 个或 7 个垂直的树枝上重复这一动作,机器人大概能够提取约 90% 的水果。不过这也说明,在研究人员提升机器的效率之前,仍然需要一个工作人员在机器人完成工作后继续摘取剩余的樱桃。


此外,在 Karkee 的设想中,一台机器应该有 6 个或者 8 个手臂,在果园中滚动前行,抓住树干,通过震动将樱桃摇晃下来。而震动强度在 18 赫兹,持续时间为 5 秒,这是 Karkee 和他同事们发现的最佳组合。


毫无疑问,未来的农业将会愈发机器化,比如有一台名为「莴苣机器(lettuceBot)」的机器在田野中滚动,发现莴苣并自动向它们喷水。但是,开发在室外工作的机器人是一个不小的任务。


「你可能会处理潮湿的情况,并且在崎岖不平的道路上行驶。」开发出自动化室内养殖系统的 Iron Ox 公司联合创始人兼 CEO Jon Binney 说。


Iron Ox 是硅谷一家初创公司,计划将温室农业实现机器人化。但是由于室内没有拖拉机这样的机械,因此在温室中进行种植会是室外成本的两倍。而且在传统的室外农业中,作物一旦种下之后,就不会再去移动了,实际上也无法移动。



在 Iron Ox 打造的温室方案中,则采用了一种特制的溶液栽培托盘,托盘中放有营养液。托盘上面是一个带有很多洞的盖子,植物就放在里面。这样的设计是为了方便定制的机器人,或者说是一个矩形的架子,可以来回滑动,移动托盘下放的支架,然后将其拖到温室内不同的地方。随着植物的不断长大,就会被移到有更大空间的托盘中区。


而将植物在托盘间进行移植的则是机器手臂,机器手臂上装有立体摄像头,采用一个专门定制的工具抓着作物。手臂放在两个不同网眼密度的托盘中间,摄像头时刻注视着作物,将它们从一个托盘移到另外一个托盘。


此外,摄像头还可以实时构建作物的 3D 图像,以便检测作物的大小、形状是否符合预期,以此对作物进行管理。而 Iron Ox 正在研发的机器学习算法,也可以自动检测生病的作物,在病害扩散之前将其移除。同样,还可以移除发育不良的作物。


而采用溶液栽培技术,Iron Ox 声称,它比户外农业节省了 90% 的水资源。


之前,在日本东京举办的国际机器人展览会上,松下展览了一款采摘西红柿的机器人。这个机器人在轨道上运行,通过图像识别算法识别西红柿的位置、颜色和形状,再分别出哪些西红柿是成熟的。




据松下表示,这个机器人每分钟能够采摘 10 个西红柿,虽然现在的速度比人类慢,但是机器人能够持续不停地工作,不需要下班,也不需要请假或休假,总的来看,还是能够提升人类效率的。


对于采摘机器人来说,除了机器人手臂的速度和准确率非常关键之外,最重要的是,机器人还不能对被采摘的物品造成伤害。为此,松下的这款西红柿采摘机器人研发了相当长一段时间,而为了在采摘时不损害西红柿,机器人采用了「特殊的终端效应器」。


说到机器人在采摘时不伤害被采摘物,下面出场的这个柔性机器人能够「温柔」地捻起一颗小树莓。


这种新型机器人肌肉被称为「液压驱动的可自修复静电致动器」,又名「hasel」。具体说来,这种致动器(即控制机器人移动的部分)就像人类肌肉一样强壮而高效,而且能在每秒钟进行更多次收缩。这种技术可以让义肢运动更加自然;或者在长期造出柔软而强壮的机器人,能在没有一不小心把你干掉的风险下帮你看家护院。


此外,这类致动器都有一个装满油的袋子,袋子一侧由电极包围。给电极加上电压,电极间就会产生一个电场。实际上,这个柔性机器人是靠电力激活的装满油的袋子的「机器人」肌肉。


在被电极激活之后,它会变成甜甜圈的形状。在这种情况下,在致动器的一部分施加电场,将液体推到所谓的未激活区。通过从中间将油推到边缘从而制造一个类似甜甜圈的圆环,致动器就会变厚。把这些致动器堆成两组,每组代表一个「手指」,就能精妙地抓住一颗树莓却不把它挤爆。




不过,由于软体机器人比传统机器人脆弱得多,其设计者不得不担心它们一旦被刺穿随即失效(以及将油溅到地板上)的问题。因此,在其正式投入使用之前,软体机器人需要具有自修复能力的皮肤。事实上,某些软体机器人已经能做到了这一点。hasel 致动器的团队正在努力让 hasel 获得相同的能力。

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