能模擬人類自主感知、決策與執(zhí)行，集授粉、打葉、疏花疏果、采摘功能于一體，復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)四年，自主研發(fā)出智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人。
4月11日，澎湃新聞?dòng)浾邚膹?fù)旦大學(xué)獲悉，日前，在央視總臺首屆鄉(xiāng)村振興年度盛會上，一臺助力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“大家伙”亮相。這臺設(shè)施（種植）番茄精細(xì)化作業(yè)智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人，由復(fù)旦大學(xué)機(jī)器人與自主無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室商慧亮課題組自主研制、生產(chǎn)。相較過去設(shè)備的單一功能，這臺機(jī)器人“會思考”。
細(xì)長的仿生手臂探入作物間上下擺動(dòng)，3D視覺掃描著周圍環(huán)境。目標(biāo)鎖定，機(jī)械臂停留在一株作物前，觸手末端的壓電絨毛輕觸花蕊，感知花粉黏度，機(jī)器內(nèi)部算法飛速滾動(dòng)。突然，振蕩器高頻振動(dòng)，花粉隨之霧化，精準(zhǔn)吸附在相鄰花朵的柱頭上，一次授粉完成。開啟自主導(dǎo)航、躲避障礙物，機(jī)器人移動(dòng)到下一株作物前，重復(fù)相同操作……這一套感知、認(rèn)知、決策、執(zhí)行的閉環(huán)操作，系統(tǒng)集成3D視覺感知、自主導(dǎo)航、云端協(xié)同決策、AI深度學(xué)習(xí)等多學(xué)科前沿技術(shù)。
回溯課題初期，2021年，光明集團(tuán)的一項(xiàng)聯(lián)合研究示范訂單，讓團(tuán)隊(duì)注意到農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)場景下精準(zhǔn)自動(dòng)作業(yè)是大難題，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有大量空白與問題亟待解決。”復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院電子工程系副教授、機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人商慧亮介紹，賽道相對空曠，與之相伴的是多變的農(nóng)業(yè)場景下的難題，采摘、授粉、打葉、去除害蟲……這些動(dòng)作對人而言輕而易舉，對機(jī)器人卻很難。
如何精準(zhǔn)識別、定位被葉子遮住的果實(shí)？機(jī)械臂如何繞開盤根錯(cuò)節(jié)的藤蔓？都需要光學(xué)、傳感、機(jī)械、算法等領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)同解題。商慧亮選擇用系統(tǒng)性思維來搞研發(fā)、帶團(tuán)隊(duì)。項(xiàng)目早期，團(tuán)隊(duì)結(jié)合復(fù)旦的學(xué)科優(yōu)勢，在校內(nèi)廣發(fā)“英雄帖”，邀請光學(xué)、算法領(lǐng)域?qū)＜?，攻克果?shí)遮擋難題，匯聚材料、力學(xué)、自動(dòng)控制專家的力量制造仿真柔性機(jī)械臂。
第一到第四代機(jī)器人
四年間，機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室完成從工業(yè)機(jī)械臂到自主智能機(jī)器人的四次迭代。課題組成員、復(fù)旦大學(xué)智能機(jī)器人研究院博士生李睿蛟介紹，四代機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)“眼、腦、手、腳”協(xié)同配合。通過具身智能腦控制完成抗自然干擾、高強(qiáng)度精細(xì)化作業(yè)，授粉成功率在90%以上。
目前，機(jī)器人已集成授粉、打葉、疏花疏果、采摘四大功能，在光明崇明農(nóng)場展開實(shí)地驗(yàn)證測試。單臺機(jī)器人能節(jié)省6個(gè)人工，造價(jià)則是國外同類產(chǎn)品的1/5到1/10，高性價(jià)比讓它成為行業(yè)里的“香餑餑”。
“我認(rèn)為最好的科研是和實(shí)際結(jié)合，服務(wù)于場景應(yīng)用?！边^去四年，商慧亮和團(tuán)隊(duì)成員深入田間地頭找需求，足跡布及青海、深圳、海南、山東、甘肅多省份，僅上海就調(diào)研了二十余家企業(yè)，跑遍周邊農(nóng)場。
桑蠶產(chǎn)業(yè)是廣西的傳統(tǒng)支柱產(chǎn)業(yè)，然而，桑葉采摘環(huán)節(jié)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下的問題。團(tuán)隊(duì)在廣西科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目的支持下，成功研發(fā)了桑葉采摘機(jī)器人，顯著提升了采摘效率，降低了人工成本。
在深入調(diào)研過程中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)甘肅、寧夏、青海等地的枸杞產(chǎn)業(yè)同樣面臨采摘環(huán)節(jié)的技術(shù)瓶頸。由此，團(tuán)隊(duì)又開啟了枸杞精準(zhǔn)智能化采摘機(jī)器人的研發(fā)之路。工作獲得青海省重點(diǎn)專項(xiàng)支持，相關(guān)研發(fā)課題后來也成為商慧亮指導(dǎo)新一屆本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)選題庫。
如何減輕除草劑對農(nóng)作物和環(huán)境的傷害？團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)全棧自研農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人，自主研發(fā)半監(jiān)督小樣本目標(biāo)分割、檢測、識別，用機(jī)械物理鋤草替代除草劑，讓食品更健康、環(huán)境更環(huán)保。桑葉采收、園藝修枝……更多解決具體農(nóng)業(yè)場景需求的智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人正加速到來。
李睿蛟表示：“我們逐步摸索出一條從產(chǎn)業(yè)端需求導(dǎo)向去反推科研的路徑。發(fā)展硬科技就是在實(shí)踐中不斷找到問題，再強(qiáng)化、測試、迭代升級，改進(jìn)問題，同時(shí)形成科研成果創(chuàng)新?！?/span>
