Выдающиеся в поле: роботы, которые могут собирать фрукты

Осмелюсь ли я сорвать персик?
– с извинениями перед Т.С. Элиотом

Сельскохозяйственные роботы приходят на помощь в работе с самыми деликатными культурами. Производители оборудования используют последние достижения в области сенсоров, искусственного интеллекта (ИИ) и робототехники, чтобы создавать автономные системы, способные распознавать конкретные фрукты и овощи, отличать незрелые от спелых и аккуратно срывать и упаковывать только те, которые готовы к сбору.

 

Связанная история: сельское хозяйство и инновации

Сельское хозяйство всегда было постоянным источником вдохновения для технологических инноваций — от сложных ирригационных систем, созданных 5000 лет назад в Месопотамии, до сеялки, изобретённой 2000 лет назад в Китае, и хлопкоочистительной машины, запатентованной относительно недавно (в 1794 году) в США.

В последние годы многие из самых заметных достижений в сельскохозяйственных технологиях связаны с автономными машинами. Самоуправляемые транспортные средства использовались для обработки почвы, посева семян, мониторинга роста растений и внесения пестицидов.

Их также применяли для сбора урожая, преимущественно зерновых культур, таких как пшеница, кукуруза и рис, а также сои и хлопка. Эти культуры всегда были достаточно выносливы, чтобы выдерживать грубое обращение даже со стороны самых ранних и примитивных сельскохозяйственных машин.

Более деликатные культуры, такие как косточковые фрукты (например, персики, сливы, абрикосы), помидоры и клубника, напротив, легко повреждаются. Даже опытные сельскохозяйственные рабочие могут помять яблоко или раздавить ягоду в момент неуклюжести.

 

Рисунок 1. Концепция автоматизированного сбора урожая. Изображение предоставлено Adobe Stock

 

Создать машину, которая сможет сравниться по скорости, ловкости и отточенному прикосновению с опытным сельскохозяйственным рабочим — серьёзная задача, но обстоятельства вынуждают решать её.

 

Решение проблемы сложного рынка труда

По крайней мере последние два десятилетия фермеры по всему миру жалуются на трудности с поиском квалифицированной рабочей силы. «Даже в сельскохозяйственных центрах, например, в Калифорнии, где зарплаты на фермах иногда превышают 20 долларов в час, высокие зарплаты не стимулируют людей выполнять физически тяжёлую и монотонную работу, например, сбор ягод», — говорится в отчёте исследовательской компании Markets And Markets за 2023 год.

Дефицит сельскохозяйственных рабочих усугубляется политикой. Часто самые опытные работники — это мигранты, но многие страны, где они раньше находили сезонную работу, приняли иммиграционные и торговые законы, которые либо ограничивают, либо полностью запрещают международное перемещение рабочей силы.

В 2011 году штат Джорджия в США принял строгий закон против иммиграции; в том же году Джорджия сообщила о нехватке 11 000 рабочих, а местные фермеры потеряли более 120 миллионов долларов на этом урожае. Великобритания потеряла услуги 330 000 опытных сельскохозяйственных рабочих из-за Брексита.

Фермеры оказались в затруднительном положении с рабочей силой, и одним из немногих вариантов для сохранения бизнеса остаётся автоматизация. Крупные компании, такие как John Deere и Komatsu, обычно производят автономные тракторы и комбайны для самых распространённых товарных культур: пшеницы, кукурузы, риса, сои и хлопка. Роботизированные системы для фруктов и овощей встречаются редко, поскольку задача очень сложна.

Тем не менее потребность в них остра, и несколько стартапов созданы для разработки таких машин. Некоторые крупные промышленные производители инвестируют в эти стартапы (например, Kubota и Bosch), но и фермеры, выращивающие фрукты и овощи, тоже вкладываются.

 

Рисунок 2. Захваты, разработанные для аккуратного сбора чувствительных культур. Изображение предоставлено Harvest CROO

 

Профили стартапов

Ниже приведены краткие описания некоторых компаний, основанных всего за последние 10 лет для создания садоводческих роботов. Эти примеры дают представление о разнообразии подходов к манипуляторам и сенсорам.

Harvest CROO

Harvest CROO, основанная в 2013 году во Флориде, разработала роботизированные модули с манипуляторами — мягкими роботизированными зажимами. Модули устанавливаются под шасси автономного транспортного средства компании. CROO расшифровывается как computerized robotic optimized obtainer; не случайно аббревиатура произносится как «crew» (команда).

Tevel Aerobotics Technologies

Tevel Aerobotics Technologies, основанная в 2017 году и базирующаяся в Израиле, производит воздушные дроны, предназначенные для сбора фруктов с деревьев, включая яблоки, груши и различные косточковые, используя присоски, установленные на лёгких стрелах. Дроны выкручивают фрукты с деревьев и помещают их в кузов автономного мобильного сборщика, к которому они прикреплены.

Ripe Robotics

Ripe Robotics из Австралии разрабатывает транспортное средство под названием Eve, оснащённое роботизированными руками для сбора фруктов с деревьев, таких как яблоки. Руки Eve также оснащены присосками для сбора фруктов.

Fieldwork Robotics

Fieldwork Robotics из Великобритании имеет аналогичное транспортное средство с четырьмя роботизированными руками, способными собирать одни из самых деликатных фруктов — малину. Робот аккуратно обхватывает каждую ягоду и отрезает её стебель.

Agrobot

Agrobot из Израиля создала автономное транспортное средство для сбора клубники, оснащённое роботизированными руками с захватами, предназначенными для захвата стеблей каждого плода и их аккуратного срезания. Цель — избежать контакта манипуляторов с самим плодом.

 

Рисунок 3. Определение и сбор фруктов с летающей платформы. Изображение предоставлено Tevel Aerobotics

 

Технологии, обеспечивающие работу

Каждый садоводческий робот использует оптические сенсоры для навигации через листву растений с целью найти фрукт, а затем определить спелость. Большинство существующих систем заявляют о применении ИИ, который используется для оценки целостности, отсутствия повреждений и готовности плода к сбору.

Системы компьютерного зрения иногда сочетаются с радаром, ультразвуком и лидаром. Эти дополнительные сенсоры применяются не только для поиска и оценки фруктов, но и для навигации. Во многих сельскохозяйственных случаях (например, при сборе ягод, обычно посаженных в тесных рядах) спутниковые навигационные системы не обеспечивают достаточного разрешения. Например, Harvest CROO заявляет, что их система использует лидар, чтобы избежать повреждения посевов и столкновений с рабочими и другими препятствиями.

Используются различные манипуляторы, включая механические зажимы, присоски, притягивающие устройства, иглы, распылители и ножницы для выполнения функций сбора, уборки, опрыскивания, посева и пересадки.

Эти манипуляторы оснащены широким спектром приводов, включая магнитострикционные, пьезоэлектрические, пневматические, электростатические, из сплавов с памятью формы, ультразвуковые и даже оптические приводы.

Сельскохозяйственные роботы в основном полагаются на машинное зрение, но также применяются и другие сенсоры. Датчики силы считаются подходящими для машин, использующих зажимы для сбора крупных и тяжёлых плодов (например, яблок и дынь). Спектральное изображение может использоваться для улучшения распознавания культур, точности локализации и прецизионности.

Садоводческие роботы имеют преимущество перед людьми в одном ключевом аспекте: они способны собирать данные для последующего анализа. Эти устройства могут предоставлять точные данные о количестве собранных фруктов, а также весе и размере каждого плода с отметками времени и геолокацией. Они могут выполнять цветовую сортировку и предоставлять информацию о распределении веса, размера и цвета различных фруктов в отдельных сортировочных контейнерах. Они способны обнаруживать повреждения, болезни и вредителей не только на съедобных частях, но и на листве.

 

Рисунок 4. Концепция автоматизированного сбора урожая. Изображение предоставлено Adobe Stock

 

Современный рынок сельскохозяйственной робототехники

Общий рынок сельскохозяйственных роботов, по прогнозам MarketsAndMarkets, должен был достичь 13,5 млрд долларов в 2023 году и вырасти до 40,1 млрд долларов к 2028 году. Оценка включает различные системы для обработки почвы, посева и сбора урожая, а также мониторинга растений и анализа почвы. В неё также входят новые системы для автоматизации процесса доения коров; фермеры, занимающиеся молочным животноводством, так же заинтересованы в автоматизации, как и производители фруктов и овощей.

Большинство садоводческих роботов, разработанных специально для фруктов и овощей, только сейчас выходят на рынок, часто в рамках демонстрационных проектов на коммерческих фермах. Разрабатывается ещё больше таких роботов. Даже с использованием новейших сенсоров, приводов и ИИ сбор фруктов и овощей остаётся сложной задачей.

«[Р]оботы для сбора фруктов всё ещё требуют доработки в области сенсорики, манипуляции и мягкой робототехники», — отмечает MarketsAndMarkets. «Типичный робот для сбора фруктов стоит от 250 000 до 750 000 долларов, что делает его недоступным для большинства фермеров».

Тем не менее интерес фермеров к внедрению автоматизированных систем в свои поля высок. MarketsAndMarkets ожидает, что беспилотные тракторы и дроны станут обычным явлением начиная с 2025 года.