文丨湯子杰 鄒進(jìn)
參觀者在農(nóng)高會(huì)參觀一款采摘機(jī)器人
農(nóng)業(yè)是人類(lèi)一切生產(chǎn)活動(dòng)與社會(huì)活動(dòng)的基礎(chǔ)和根本, 也是支撐我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和發(fā)展的重要支柱。 黨的二十大報(bào)告指出,我國(guó)要加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó),推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化。 隨著城鎮(zhèn)化和人口老齡化的加快,農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的問(wèn)題日益突出,導(dǎo)致人工作業(yè)成本不斷攀升。 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、 降低生產(chǎn)成本、 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化中起到了重要作用。 同時(shí),作為農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的重要推動(dòng)力,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展會(huì)在一定程度上影響國(guó)家農(nóng)業(yè)政策的制定。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人是指用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的特種機(jī)器人,它是以農(nóng)產(chǎn)品為操作對(duì)象, 兼有人類(lèi)部分信息感知功能和四肢行動(dòng)功能, 可重復(fù)編程的柔性自動(dòng)化或半自動(dòng)化設(shè)備。
農(nóng)業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)是現(xiàn)代機(jī)器技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,是機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)發(fā)展的自動(dòng)化和智能化的產(chǎn)物。 農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以應(yīng)用在眾多領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)包括操作、控制等在內(nèi)的多種功能,降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度,解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題,提高作業(yè)質(zhì)量和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,減少化學(xué)農(nóng)藥、化肥等的使用對(duì)人體的潛在傷害。 近年來(lái),農(nóng)業(yè)機(jī)器人在技術(shù)和應(yīng)用方面取得了顯著進(jìn)展,可以在眾多農(nóng)業(yè)活動(dòng)中替代人工,如對(duì)作物進(jìn)行自動(dòng)灌溉、害蟲(chóng)及雜草控制。 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛使用,將會(huì)減少對(duì)人工勞動(dòng)力的依賴(lài),在很大程度上改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)方式,為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支持,促進(jìn)農(nóng)業(yè)從傳統(tǒng)向現(xiàn)代過(guò)渡,為農(nóng)業(yè)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步作出貢獻(xiàn)。
(1)設(shè)備自動(dòng)性和智能性。農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的自主導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、 最優(yōu)路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器技術(shù)、決策制定能力等技術(shù),實(shí)現(xiàn)自主執(zhí)行任務(wù),且無(wú)須持續(xù)的人工干預(yù)。 同時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)器人通過(guò)圖像處理技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、控制系統(tǒng)、人工智能等技術(shù),獲得了處理和分析信息的能力,并且可以根據(jù)數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確的決策。 這些技術(shù)的應(yīng)用有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量, 降低生產(chǎn)成本。
(2)工作環(huán)境復(fù)雜性和非結(jié)構(gòu)性。 由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性、作物的多樣性以及氣象條件的不確定性,農(nóng)業(yè)機(jī)器人無(wú)法擁有單一的、固定的工作環(huán)境。此外,由于不同農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的差異,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境并不是一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系,這意味著農(nóng)業(yè)機(jī)器人無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化編程來(lái)適應(yīng)不同農(nóng)作物的多樣性工作環(huán)境。 因此,農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須具備強(qiáng)大的自主導(dǎo)航、感知、決策和適應(yīng)能力,以適應(yīng)復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)性的工作環(huán)境。
(3)作用對(duì)象的柔嫩性和復(fù)雜性。 由于作用對(duì)象的柔嫩性、易損性、種類(lèi)的豐富性以及形狀的多樣性, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)必須格外注意保護(hù)作物, 同時(shí)必須具備適應(yīng)和處理這些復(fù)雜的作物和環(huán)境的能力。
(4)使用對(duì)象的特殊性和價(jià)格的制約性。在大部分情況下,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的最終用戶是農(nóng)民,通常他們的機(jī)械電子技術(shù)水平有限, 并且對(duì)新技術(shù)的接受度存在一定限制。 因此, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)注重簡(jiǎn)單和可靠的操作性, 避免過(guò)于復(fù)雜的操控。 考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體利潤(rùn)較低, 因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人的價(jià)格應(yīng)當(dāng)在大部分農(nóng)民能夠接受的范圍內(nèi), 過(guò)高的定價(jià)反而不利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用與普及。
由于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命中起步較早,因此,其工業(yè)技術(shù)和機(jī)械化領(lǐng)域具有顯著的先發(fā)優(yōu)勢(shì)。 這種技術(shù)先進(jìn)性推動(dòng)了對(duì)機(jī)械化和自動(dòng)化的早期研究, 包括對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究。 在20 世紀(jì)中期,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸認(rèn)識(shí)到農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的巨大潛力和價(jià)值,開(kāi)始大力投入資金和招募科研人員,根據(jù)自身國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展需求進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)。 隨著時(shí)間的推移, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了顯著的成效和一定的應(yīng)用規(guī)模。 目前,在農(nóng)業(yè)機(jī)器人理論、 技術(shù)以及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先的國(guó)家有美國(guó)、日本、荷蘭等,中國(guó)、英國(guó)以及西班牙等國(guó)家也在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究領(lǐng)域取得了較為顯著的成果。
美國(guó)作為全球農(nóng)業(yè)最發(fā)達(dá)、 技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家之一, 其農(nóng)業(yè)機(jī)械化和智能化發(fā)展水平也在全球名列前茅。早在20 世紀(jì)50 年代,美國(guó)就開(kāi)始了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究。如今,美國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高度自主化和智能化的結(jié)合, 包括多用途自動(dòng)化聯(lián)合收割機(jī)器人、園丁機(jī)器人、無(wú)人駕駛拖拉機(jī)以及果實(shí)分揀機(jī)器人等多種農(nóng)業(yè)機(jī)器人,這些農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少對(duì)環(huán)境的影響以及解決勞動(dòng)力不足的問(wèn)題。其中,美國(guó)新荷蘭農(nóng)業(yè)機(jī)械公司研發(fā)的多用途自動(dòng)化聯(lián)合收割機(jī)器人, 是最具代表性的農(nóng)業(yè)機(jī)器人之一。 該機(jī)器人通過(guò)結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)、 全局定位系統(tǒng)以及自主導(dǎo)航系統(tǒng)等多種技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)收獲作物和完成其他農(nóng)業(yè)任務(wù), 并且能夠適應(yīng)不同的收獲需求和不同的作物類(lèi)型。
日本作為全球最早開(kāi)始研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的國(guó)家之一,不僅在理論、技術(shù)與應(yīng)用方面都位居世界前列,而且近年來(lái)取得了顯著發(fā)展。 日本已經(jīng)研發(fā)出了多款智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人, 包括自動(dòng)采摘機(jī)器人、割草機(jī)器人以及收割機(jī)器人等。其中,由日本開(kāi)發(fā)的草莓采摘機(jī)器人具有一定的代表性,其能夠利用圖像識(shí)別技術(shù)智能判斷草莓的成熟程度。受自然地理資源的限制,日本耕地面積較少,這促使其農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究重點(diǎn)更加注重提高農(nóng)業(yè)資源的利用率。
除了美國(guó)和日本外,荷蘭、英國(guó)以及西班牙等國(guó)家也在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了顯著成就。例如,荷蘭發(fā)明的自動(dòng)擠奶機(jī)器人使用機(jī)器視覺(jué)和傳感器來(lái)檢測(cè)奶牛,能夠識(shí)別奶牛乳房位置,自動(dòng)進(jìn)行擠奶,而無(wú)須農(nóng)民手動(dòng)干預(yù)。這提高了牧場(chǎng)的生產(chǎn)效率,降低了勞動(dòng)成本,同時(shí)改善了奶牛的生活條件。英國(guó)研發(fā)的一款名為“Tom”的谷物收割機(jī)器人,通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和GPS 技術(shù)來(lái)識(shí)別谷物的成熟程度,從而進(jìn)行精確的收割。西班牙開(kāi)發(fā)的葡萄藤機(jī)器人,通過(guò)機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)來(lái)提高葡萄藤管理的效率, 特別是葡萄藤的修剪過(guò)程。 這有助于提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量,減輕了葡萄園工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比,由于我國(guó)在第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命中受到的影響相對(duì)較小,導(dǎo)致我國(guó)在20 世紀(jì)90 年代中期才開(kāi)始研發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)器人。 因此,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)仍然處于起步階段。 由于市場(chǎng)開(kāi)發(fā)不足、研發(fā)成本高以及技術(shù)成熟度不夠,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展速度相對(duì)緩慢,大部分農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)工作還停滯在實(shí)驗(yàn)室階段。 近年來(lái),我國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的重要性,政府已出臺(tái)一系列政策措施,旨在推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化發(fā)展。
目前, 我國(guó)已經(jīng)成功研發(fā)并在一定規(guī)模上應(yīng)用了各種類(lèi)型的機(jī)器人,包括除草機(jī)器人、施肥機(jī)器人、全自動(dòng)收獲機(jī)器人、耕耘機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、 蔬菜采摘機(jī)器人以及植保無(wú)人機(jī)等。 其中,大疆公司研發(fā)的多旋翼飛行器(如Matrice 100和Matrice 600)等最具代表性。這些飛行器利用先進(jìn)的遙感技術(shù)、圖像處理和自動(dòng)化控制技術(shù),用于實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的管理和保護(hù)。同時(shí),它們能夠監(jiān)測(cè)土地健康狀況、管理水資源,實(shí)現(xiàn)精確的農(nóng)藥和化肥施用,從而有助于減少對(duì)化學(xué)品的使用,減少環(huán)境污染,提高生產(chǎn)效率。 例如,江蘇大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的番茄采摘機(jī)器人,利用傳感器、機(jī)器視覺(jué)等技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)番茄的高效采摘, 并且對(duì)形狀大小相近的柑橘、蘋(píng)果等也具有一定的通用性。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人,利用機(jī)器視覺(jué)、自主導(dǎo)航以及傳感器等技術(shù),并搭載雙目視覺(jué)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了高效率、高質(zhì)量地采摘果實(shí),同時(shí)減少了對(duì)人工勞動(dòng)力的需求。
近年來(lái), 我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了一定的成就,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用也逐漸廣泛。 然而,由于受到農(nóng)業(yè)機(jī)器人研發(fā)、制造和使用成本較高,農(nóng)業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化和智能化程度較低, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)械化規(guī)模不足的制約,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的普及程度仍較低。
目前,市面上的農(nóng)業(yè)機(jī)器人通常是根據(jù)特定的農(nóng)業(yè)任務(wù)和環(huán)境需求進(jìn)行定制的,這導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的利用率相對(duì)較低, 從而間接地增加了研發(fā)、制造和使用成本。 例如,蔬菜采摘機(jī)器人可能專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于采摘特定品種的經(jīng)濟(jì)作物,比如黃瓜和土豆。 如果一臺(tái)機(jī)器人只能用于一種作物,那么其適用范圍和使用頻率都會(huì)受到限制。 考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的主要用戶是農(nóng)民,市場(chǎng)需求起著關(guān)鍵作用,只有當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人性?xún)r(jià)比足夠高且綜合使用成本低于人力作業(yè)成本時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)器人才能實(shí)現(xiàn)普及。
隨著科技水平的飛速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式正在逐漸從傳統(tǒng)的機(jī)械化模式向更自動(dòng)化和智能化的方向轉(zhuǎn)變,這意味著農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要具備更強(qiáng)的自主決策、感知、控制以及執(zhí)行能力。 盡管我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)積累了相對(duì)豐富的理論知識(shí),但技術(shù)方面仍存在挑戰(zhàn)。 許多機(jī)器人目前仍需要一定程度的人工干預(yù), 例如農(nóng)業(yè)機(jī)械手臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí),通常需要人工監(jiān)控以確保其準(zhǔn)確性,這限制了農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 總之,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)程度和智能程度有待進(jìn)一步提高。
盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在一定程度上得到應(yīng)用,政府也出臺(tái)了一系列政策措施以推動(dòng)農(nóng)村現(xiàn)代化的發(fā)展,但仍存在一些限制因素。 這包括農(nóng)業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)尚未充分開(kāi)發(fā), 其市場(chǎng)覆蓋范圍有限。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在不同品種的農(nóng)作物和地區(qū)的適用性方面存在一定局限性。 此外, 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)、制造和使用成本較高,而且一些地區(qū)仍然依賴(lài)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式, 對(duì)于機(jī)器人的接受度相對(duì)較低。這些因素共同影響了農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械化規(guī)模擴(kuò)大。 為進(jìn)一步推廣和普及農(nóng)業(yè)機(jī)器人,我們應(yīng)著重從以下三個(gè)方面入手。
(1)零部件標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。 零部件標(biāo)準(zhǔn)化意味著采用標(biāo)準(zhǔn)化的零部件和接口,使不同制造商的農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠共享相同的組件。 零部件模塊化則是將機(jī)器人的主要工作部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),使其可以直接通過(guò)更換部件來(lái)適應(yīng)不同的農(nóng)業(yè)場(chǎng)景和不同品種作物, 無(wú)須重新購(gòu)置適用于不同作物的相同類(lèi)型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。 例如,美國(guó)開(kāi)發(fā)了一款精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥的農(nóng)業(yè)機(jī)器人,將視覺(jué)、控制、農(nóng)藥噴灑以及數(shù)據(jù)記錄與分析功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),可以很好地適應(yīng)不同的農(nóng)場(chǎng)環(huán)境和不同作物類(lèi)型。這種方法顯著提高了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用頻率和效率,同時(shí)降低了研發(fā)和生產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的成本。
(2)農(nóng)學(xué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合。 在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域,技術(shù)研究的成功關(guān)鍵不僅在于將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能高度結(jié)合,還在于充分利用自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、傳感器、遙感技術(shù)等,以增強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的靈活性。 然而,更為根本的是將農(nóng)學(xué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)有機(jī)結(jié)合, 使這兩個(gè)領(lǐng)域互相促進(jìn)和共同發(fā)展。例如,美國(guó)開(kāi)發(fā)了一款垂直農(nóng)場(chǎng)機(jī)器人,這一創(chuàng)新的系統(tǒng)基于農(nóng)學(xué)知識(shí),能夠模擬和控制光照、溫度、濕度以及其他生長(zhǎng)因素,從而創(chuàng)造出最適宜的種植條件,同時(shí)減少了人工干預(yù)。 通過(guò)將農(nóng)學(xué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,可以逐步提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自主化和智能化程度, 最終實(shí)現(xiàn)完全不用人工干預(yù),使機(jī)器人更適應(yīng)不同農(nóng)業(yè)任務(wù)和環(huán)境。
(3)擴(kuò)大農(nóng)業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)。 盡管在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成果,但農(nóng)業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)的普及和應(yīng)用仍有待加強(qiáng)。 從美國(guó)不斷擴(kuò)大的農(nóng)業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)中我們可以總結(jié)出: 政府應(yīng)出臺(tái)更多有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展的政策;科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究和創(chuàng)新; 政府、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)等應(yīng)合力加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的宣傳和教育,提高農(nóng)民和農(nóng)業(yè)從業(yè)者對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的認(rèn)知度和接受度。 通過(guò)這些方法,可以有效擴(kuò)大農(nóng)業(yè)機(jī)器人的市場(chǎng),從而解決農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)械化規(guī)模不足的問(wèn)題。
隨著科技的飛速發(fā)展,我們正見(jiàn)證著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐步從傳統(tǒng)化邁向現(xiàn)代化和規(guī)?;?。 在這個(gè)過(guò)程中,農(nóng)業(yè)機(jī)器人將發(fā)揮更加重要的作用,成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵推動(dòng)力,得到廣泛推廣及應(yīng)用。 盡管我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人目前仍處于起步階段,但這也是我們減小與其他發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)領(lǐng)域差距的關(guān)鍵時(shí)期。 我們需要更多相關(guān)政策的支持,以吸引更多人才投身于農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究,從而推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展。