Exceptionnels dans le domaine : des robots capables de cueillir des fruits

Oserai-je cueillir une pêche ?
– avec des excuses à T.S. Eliot

Les robots horticoles arrivent pour gérer les cultures les plus délicates. Les fabricants d’équipements tirent parti des avancées récentes en capteurs, intelligence artificielle (IA) et robotique pour créer des systèmes autonomes capables d’identifier des fruits et légumes spécifiques, de distinguer les exemplaires non mûrs des mûrs, et de cueillir et emballer délicatement uniquement ceux prêts à être récoltés.

 

Une histoire liée : agriculture et innovation

L’agriculture a toujours été une source d’inspiration pour l’innovation technologique, des systèmes d’irrigation sophistiqués créés il y a 5 000 ans en Mésopotamie, à la semeuse inventée il y a 2 000 ans en Chine, jusqu’à l’égreneuse de coton brevetée relativement récemment (en 1794) aux États-Unis.

Ces dernières années, beaucoup des avancées les plus notables en technologie agricole ont impliqué des machines autonomes. Des véhicules auto-dirigés ont été utilisés pour labourer les terres, semer les graines, surveiller la croissance des plantes et appliquer des pesticides.

Ils ont également été utilisés pour récolter les cultures, principalement des céréales comme le blé, le maïs et le riz, mais aussi le soja et le coton. Ces cultures ont toujours été assez robustes pour supporter un traitement rude, même de la part des premières machines agricoles les plus rudimentaires.

Les cultures plus délicates, comme les fruits à noyau (pêches, prunes, abricots), les tomates et les fraises, sont en revanche facilement endommagées. Même des ouvriers agricoles expérimentés peuvent meurtrir une pomme ou écraser une baie en un instant d’inattention.

 

Figure 1. Concept de récolte automatisée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock

 

Créer une machine capable d’égaler la vitesse, la dextérité et le toucher expérimenté d’un ouvrier agricole est un défi de taille, mais les circonstances poussent à relever ce défi.

 

Répondre à un marché du travail difficile

Depuis au moins deux décennies, les agriculteurs du monde entier se plaignent de la difficulté à trouver une main-d’œuvre qualifiée. « Même dans les pôles agricoles, par exemple en Californie, où les salaires agricoles peuvent parfois dépasser 20 USD de l’heure, les salaires élevés n’encouragent pas les gens à effectuer des tâches physiquement exigeantes et répétitives, comme la cueillette des baies », selon un rapport 2023 du cabinet d’études Markets And Markets.

Les pénuries de main-d’œuvre agricole ont été aggravées par la politique. Souvent, les ouvriers agricoles les plus expérimentés sont des travailleurs migrants, mais beaucoup des pays où ils trouvaient autrefois un travail saisonnier ont adopté des lois sur l’immigration et le commerce qui découragent, voire restreignent, la mobilité internationale de la main-d’œuvre.

L’État de Géorgie aux États-Unis a adopté une loi anti-immigration stricte en 2011 ; la Géorgie a signalé un déficit de 11 000 travailleurs cette année-là et les agriculteurs locaux ont perdu plus de 120 millions de dollars sur cette récolte. Le Royaume-Uni a perdu les services de 330 000 ouvriers agricoles expérimentés à cause du Brexit.

Les agriculteurs sont dans une impasse pour la main-d’œuvre, et l’une de leurs rares options pour rester en activité est d’automatiser. Les grandes entreprises comme John Deere et Komatsu fabriquent généralement des tracteurs et des moissonneuses-batteuses autonomes pour les cultures commerciales les plus répandues : blé, maïs, riz, soja et coton. Les systèmes robotiques pour les fruits et légumes sont rares car le défi est très important.

Pourtant, le besoin est urgent, et plusieurs startups se sont créées pour développer de telles machines. Certaines grandes entreprises industrielles investissent dans ces startups (Kubota et Bosch, par exemple), mais les agriculteurs qui cultivent des fruits et légumes investissent aussi.

 

Figure 2. Pinces conçues pour cueillir délicatement des cultures sensibles. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Harvest CROO

 

Profils de startups

Voici de brèves descriptions de certaines des entreprises fondées au cours des 10 dernières années pour construire des robots horticoles. Ces exemples donnent un aperçu des différentes approches adoptées avec les manipulateurs et les capteurs.

Harvest CROO

Harvest CROO, fondée en 2013 en Floride, a conçu des modules robotiques équipés de manipulateurs – des pinces robotiques rembourrées. Les modules sont montés sous le châssis du véhicule autonome de l’entreprise. CROO signifie computerized robotic optimized obtainer ; ce n’est pas un hasard si l’acronyme se prononce comme « crew ».

Tevel Aerobotics Technologies

Tevel Aerobotics Technologies, fondée en 2017 et basée en Israël, fabrique des drones aériens conçus pour cueillir des fruits cultivés sur des arbres, notamment pommes, poires et divers fruits à noyau, en utilisant des ventouses montées sur des bras légers. Les drones tordent les fruits des arbres et les déposent dans la benne d’un collecteur mobile autonome auquel ils sont attachés.

Ripe Robotics

Ripe Robotics, basée en Australie, développe un véhicule appelé Eve, équipé de bras robotiques pour cueillir les fruits arboricoles, comme les pommes. Les bras d’Eve sont également équipés de ventouses pour la cueillette.

Fieldwork Robotics

Fieldwork Robotics, basée au Royaume-Uni, dispose d’un véhicule similaire équipé de quatre bras robotiques capables de récolter certains des fruits les plus délicats cultivés – les framboises. Le robot enveloppe soigneusement chaque baie individuellement et coupe sa tige.

Agrobot

Agrobot, basée en Israël, a créé un véhicule autonome de récolte de fraises équipé de bras robotiques terminés par des pinces conçues pour saisir les tiges de chaque fruit et les trancher. L’objectif est d’éviter que les manipulateurs ne touchent jamais le fruit.

 

Figure 3. Identification et cueillette de fruits depuis une plateforme volante. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Tevel Aerobotics

 

Technologie habilitante

Chaque robot horticole utilise des capteurs optiques pour d’abord naviguer à travers le feuillage afin de trouver le fruit, puis pour identifier les fruits mûrs. La plupart des systèmes existants affirment utiliser l’IA, qu’ils disent employée pour évaluer si une plante est entière, sans défaut et prête à être cueillie.

Les systèmes de vision par ordinateur sont parfois utilisés en conjonction avec le radar, l’ultrason et le lidar. Ces capteurs supplémentaires peuvent bien sûr servir à trouver et évaluer les fruits, mais ils sont aussi utilisés pour la navigation. Dans de nombreux cas agricoles (comme la cueillette de baies généralement plantées en rangées serrées), les systèmes de navigation par satellite ne fournissent pas une résolution suffisante. Harvest CROO, par exemple, indique que son système s’appuie sur le lidar pour s’assurer que sa moissonneuse évite d’écraser les cultures ou de heurter les ouvriers humains et autres obstacles.

Une variété de manipulateurs ont été adoptés, y compris des pinces mécaniques, dispositifs à ventouse, attracteurs, aiguilles, buses de pulvérisation et ciseaux pour effectuer des fonctions telles que la cueillette, la récolte, la pulvérisation, le semis et le repiquage.

Ces manipulateurs intègrent une large gamme d’actionneurs, notamment magnétostrictifs, piézoélectriques, pneumatiques, électrostatiques, alliages à mémoire de forme, ultrasoniques et même optiques.

Les robots agricoles s’appuient principalement sur la vision machine, mais d’autres capteurs sont utilisés. Les capteurs de force sont jugés appropriés pour les machines qui utilisent des pinces pour récolter des fruits de grand volume et poids (par inférence, cela inclurait des cultures comme les pommes et les melons). L’imagerie spectrale pourrait être utilisée pour améliorer la reconnaissance des cultures, la précision de localisation et la précision.

Les robots horticoles ont un avantage sur les ouvriers humains dans un domaine clé : leur capacité à collecter des données pour une analyse ultérieure. Ces dispositifs peuvent fournir des données précises sur la quantité de fruits cueillis, ainsi que le poids et la taille de chaque fruit, avec horodatage et géolocalisation. Ils peuvent effectuer un classement par couleur et fournir des informations sur la distribution du poids, de la taille et des couleurs des différents fruits dans les bacs de tri individuels. Ils peuvent détecter les défauts, maladies et parasites, non seulement sur les parties comestibles récoltées, mais aussi sur le feuillage associé.

 

Figure 4. Concept de récolte automatisée. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock

 

Le marché actuel de la robotique agricole

Le marché global des robots agricoles était estimé à 13,5 milliards de dollars en 2023 et devrait atteindre 40,1 milliards de dollars d’ici 2028, selon MarketsAndMarkets. Cette estimation inclut une variété de systèmes qui labourent, sèment et récoltent, ainsi que ceux qui assurent la surveillance des plantes et l’analyse du sol. Elle inclut aussi de nouveaux systèmes introduits pour automatiser la traite des vaches ; les éleveurs laitiers sont aussi désireux d’automatiser que les producteurs de fruits et légumes.

La plupart des robots horticoles conçus spécifiquement pour les fruits et légumes arrivent seulement maintenant sur le marché, souvent pour des projets de démonstration dans des fermes commerciales. Beaucoup d’autres robots horticoles sont en cours de développement. Même avec les derniers capteurs, actionneurs et IA, la récolte des fruits et légumes reste un défi.

« Les robots de cueillette de fruits nécessitent encore des développements en détection, manipulation et robotique douce », selon MarketsAndMarkets. « Un robot de récolte de fruits typique coûte entre 250 000 et 750 000 USD, ce qui le rend inaccessible pour la plupart des agriculteurs. »

Pourtant, l’intérêt des agriculteurs à introduire des systèmes automatisés dans leurs champs est élevé. MarketsAndMarkets prévoit que les tracteurs sans conducteur et les drones deviendront probablement courants à partir de 2025.