2050年,我們需要500萬機器人摘水果

摘要

果農的成本,70% 在采摘。

記者 | 陳晨

編輯 | 鄭玄

 

不久前的世界機器人大會上,一個農用采摘機器人的展臺引起了現場的圍觀。

「它能模仿人類的手把果實摘下來」,現場的工作人員向大家介紹機器的工作原理。機器臂前端的藍色軟爪輕輕地抓住獼猴桃,然后前后搖擺爪子,把獼猴桃從藤上「掰」下來,被摘下的獼猴桃,又順著軟管滑落到了小筐里。

智能采摘機器人現場演示摘獼猴桃 | 來源:極客公園

人摘果子基本有手就行,但想讓機器人采摘卻并不容易。這是農業自動化領域里很難攻克的一個環節,主要有三個難點:首先需要在枝葉的遮擋下準確地定位果實的位置,識別出哪些果實是成熟可以采摘的,再以不碰壞果實的方式摘下水果。

也是在近幾年,采摘機器人才慢慢有了一些產業上的突破,美國和以色列分別誕生了一些這個領域的明星公司。但從實驗室走進農場,采摘機器人需要解決的遠不止技術問題——作為人力的替代品,成本和效率才是采摘機器人商業化道路上最大的痛點。

上文中的參展商,杭州喬戈里公司的銷售負責人朱工告訴極客公園,他們創業已經有三年多的時間,之前設備一直沒有進入市場,而是以半合作半銷售的方式,提供給一些科研院校和政府機關單位。

「也是近期,我們覺得說有一些苗頭出來,大家會去考慮(購買設備代替人工)?!惯@位負責人談及參展契機時說到,「我們去也是做一次考察,看看大家對采摘機器人的想法和需求?!?/p>

小小的采摘,大大的需求

采摘是水果生產鏈條中最耗時、最耗力的環節,在果農的經營成本中,雇傭采摘工人的費用占據了 50%~70%。

然而今天勞動力市場的大背景是:農業勞動力向其他產業轉移,人口老齡化加劇農業勞動力的缺失,雇傭農工的成本逐漸增高。

以色列采摘機器人公司 Tevel Aerobotics Technologies 的官網上標注了幾個數據:到 2050 年,人口將增長 40%,需要水果產量翻一番;到 2050 年,農業就業人數將減少一半,導致 500 萬水果采摘者短缺,進而導致全球超過 10% 的水果無法收獲(相當于歐盟的年消費量)。

采摘環節的「機器換人」并不是一個假需求,這也很好地闡釋了為什么一些公司愿意在這個領域投入時間與精力。

20 世紀 60 年代,在工業機器人剛剛起步時,美國學者 Schertz CE 和 Brown GK 看到了機器人在人力替代上的潛力,提出了將機器人的技術運用到水果的采摘上。然而剛開始的機器采摘是「粗糙」的。

之前果樹采摘應用最廣泛的是震蕩法。機器車開到果樹下,反復沖擊樹干將果實震落。這種方式可能損傷樹木,還會導致果實在下落過程中被其他果實和樹枝碰壞,損傷后的水果不僅賣不出高價還難以保存。

水果采摘需要更精準,也更安全的技術,隨著機器人視覺、人工智能等技術的進步,一批技術研究員和初創公司,投入到了更自動化、更智能的采摘機器人的研發中。

美國初創公司 Abundant Robotics 當年機器人采蘋果的視頻曾在網上轟動一時,其采用了一種真空吸取的采摘方式,整個機器設備像是一臺大型「吸塵器」,設備吸取的東西,則是識別到的已成熟蘋果。用「吸」代替「抓」減少了對蘋果表皮的損壞,也將單個蘋果的采摘時間控制到了 2 秒,大大地提高了機器采摘的效率。

Abundant 用真空吸取的方式采摘蘋果 | 來源:Abundant Robots

喬戈里的第一代產品也跟 Abundant 一樣,采用了真空吸取的方式。但是為了提高設備的兼容性和使用率,他們沒有將采摘的對象固定在某一個品類上,而是希望設備在更換末端的執行機構后,可以采摘多種水果。

他們在測試中發現,真空吸取的對象是蘋果、獼猴桃這類硬果還行,遇到草莓、西紅柿這種更軟的水果時,卻容易在吸的過程中,對果體造成損壞。

如何輕柔地摘下水果一直是采摘機器人的重要研究課題。英國普利茅斯大學(University of Plymouth)的研究機構 Fieldwork Robotics,開發了一款采摘覆盆子的機器 Robocrop,在 Robocrop 的機器手上采用了一種柔軟的夾墊材料,在夾子下面則是壓力傳感器,以此保證在施加力時不損傷果實。

喬戈里的第二代產品,也加了一個軟爪的結構,除了為了不壓壞水果,也以便在吸之外,進行拽、掰等更多操作。

不過,雖然機械手可以適用于多種水果采摘方式,但跟吸取的方式相比,機械手的操作時間更長,一般需要 6~7 秒。

2021 年,以色列的 Tevel Aerobotics Technologies 獲得了 RBR50 機器人創新獎,他們將無人機用在了水果采摘上。

他們給每個無人機上配備了用于定位和識別的視覺系統,以及用于采摘的機械臂和抓手。無人機從連接的地面控制車上獲得電源,也將采摘的水果放在采摘平臺上。更小巧靈活的無人機也能更方便地夠飛到樹梢采摘。

Tevel 無人機飛到樹梢采摘蘋果 | 來源:網絡

機器采摘的技術一直在進步。

喬戈里的機器人在學習了近萬張獼猴桃的照片后,能像經驗豐富的果農一樣根據質量、大小對獼猴桃進行分類,準確率達到了 90%。在投入研發三年多后,現在他們的設備可以采摘的水果有獼猴桃、蘋果、西紅柿、草莓、梨。

也許現在還存在著沒能解決的問題,比如樹葉遮擋導致識別不到水果、機械臂構造復雜導致采摘單個果實的耗時長,但是隨著人工智能技術的進步和越來越多創新者的加入,技術的問題將會更快地得到解決方案。

農機智能化,還需農藝的配合

2019 年 1 月,喬戈里的智能采摘機器人項目立項后,被列為浙江省重點計劃研發項目,它還有一個標簽,即第一款針對我國水果種植現狀開發的采摘機器人。

朱工傳遞出一個觀念:在國內做采摘機器人更難。

「市面上有的,比如說像小番茄、黃瓜這種,相對來說比較標準的,我們大部分都是能做的?!怪旃ふ劦搅艘粋€種植標準化的問題。

現在機器采摘相對而言比較成熟的品類,是草莓和小西紅柿。他們是標準化較高的作物,在立體種植中,他們的果實垂吊下來,便于機器采摘。而且草莓這種根莖長的作物,還可以直接從根部收割,避免對果實的擠壓破壞。

高架栽培模式是「荷蘭式種植」的體現,通過從種植到采摘運輸的全套配合,達到高度自動化與機械化。國外種植的標準化,一定程度上減少了很多采摘過程中的難題。

機器收獲垂落的草莓果實 | 來源:網絡

「像國外植株間的間距,比如說是 10 厘米,那他就是 10 厘米,不會多也不會少。這對我們的機器人來說也是一個很好的條件,采摘的時候只要設定它的路徑還有節拍就可以?!?/p>

國內采摘機器人難做的原因,除了人力成本較為低廉,還因為標準化種植的水平也相對較低。國內一些公司也選擇先從種植更規范的品類切入,比如多采科技選擇了草莓采摘機器人。

2019 年 Abundant 的采摘機器人駛進 T&G 農場之前,其實還發生了一個有意思的事情:T&G 花費了四年的時間將蘋果樹「訓練」成一面面墻的形狀,讓蘋果長在一個平面上,便于 Abundant 的機器人采摘。

這件事情顯然不是所有人都可以做到的,雖然聽起來很極端,但這也顯示出一個事實:機器人和環境是相互成就的。

機器人只是智慧農業中的一小個分支,實現智慧農業還要農機和農藝相配合。但好在,國內也正在出現標準化種植的趨勢。根據朱工介紹,他們的一些客戶已經考慮擴建時直接建成智能農場,規范品類的種植,以便于后續的整套管理與采摘。

對于農戶和建設智慧農場的平臺來說,除了種植的規范,增加種植的品類也是一大趨勢。

蔬果的采摘期較為有限,比如蘋果的采摘期 2 個月,草莓的采摘期 1 個月。如果一臺采摘設備只有于一種設備的采摘,那它其他的時間就是閑置的。以一年為單位,雇傭臨時采摘工人的費用可能比采購一臺設備更劃算。

在跟客戶打交道的過程中,朱工他們也發現部分客戶已經有了同時種不同水果的苗頭,保證一年四季都有可采摘的品類。

像喬戈里這樣的采摘機器人制造商,也將更多的功能集成在采摘機器人上,將設備的功能最大化,盡可能覆蓋作物生長的全流程。目前,他們的設備就計劃能通過替換末端的執行件,完成套袋、授粉、噴藥的工作。

價格,采摘機器人商業化的最大痛點

「如果這場疫情沒來,我們也不會考慮這么快推這個設備?!?/p>

朱工介紹,喬戈里現在比較標準的草莓采摘機器人,價格是在 40 萬元左右,購入設備的成本對于農戶來說還是很高的。因為疫情招工難,農戶在無法完成采摘、損失掉整個果園的風險下,才愿意考慮購置設備。

今年年初,他們向實體農戶銷售了一臺設備,用于采摘獼猴桃。即使第一臺設備成功銷售,采摘機器人的市場仍然很難打開。

時間回到 2015 年,在遙遠的大洋彼岸,Abundant 的團隊展示了一個采摘機器人原型,在描述中他們稱這是「第一個商業上可行的果園采摘解決方案」。

然而僅僅兩年后,這家公司宣告停業,出售了所有的知識產權和資產,其中包括大量真空操作專利、用于識別水果位置及其質量的視覺系統等。

Abundant Robotics 的清算最終被歸因為疫情期間沒能打開市場,導致資金難以為繼,它的知識產權最終流轉到了產品開發孵化器 Wavemaker Labs 手中,以 Abundant Robots 的名字重新被推出。

而現在,Abundant 的機器人正在以更「便宜」的方式重新設計。Wavemaker Labs 的創始人兼 CEO 巴克·喬丹(Buck Jordan)說,「之前的團隊每次在建造原型時,都選擇了最昂貴的選項?!顾€表示,在不影響性能的前提下,將成本降低到 10 萬美元以下是容易的。

Abundant 采摘機器人在果園中工作 | 來源:Abundant Robots

通過 Abundant 的案例不難看出:成本,是采摘機器人面臨的一大難題。同樣嘗試降低成本的還有 2021 年被 AppHarvest 以 6000 萬美元收購的 Root AI,它的采摘機器人 Virgo 可以識別西紅柿、辣椒、黃瓜等多種作物。

Root AI 的 CEO 也是現 AppHarvest 的首席技術官在談到未來的業務重點時說,「現在希望降低機器人的成本,并在 2023 年發售正式版的 Virgo?!?/p>

在通往商業化的路上,大家不約而同地選擇了降低成本。而在商業模式的選擇上,這些先行者的決策同樣具有借鑒意義。

Abundant 計劃成為一個提供服務的平臺,去擁有、維護、運輸和操作機器人,「換取農場的合同付款」,在南北半球兩個 90 天的收獲季(北半球的 8-11 月,南半球的 2-5 月)中找尋客戶。這是一種被稱為 RaaS 的模式——機器人即服務。

Tevel 團隊同樣將帶著設備為農民采摘水果。他們還與美國和歐洲的兩家公司展開合作,將他們技術整合給當地合作伙伴,授權其為當地客戶提供水果采摘服務。

喬戈里告訴極客公園,目前,他們對未來商業模式的設想仍然以銷售設備為主:「如果說這個市場的需求量還蠻大的,可能今年或者明年會往這方面去進行一個批量的投入?!?/p>

今年參展的反饋還算不錯。朱工說,「今年有意向的客戶確實蠻多的?!?/p>

他接著說,「農戶也更愿意用設備替代人力,規避掉管理的問題,還有一些客戶在做智能農場,愿意在項目中添加一臺采摘機器人?!?/p>

最新文章

極客公園

用極客視角,追蹤你不可錯過的科技圈。

極客之選

新鮮、有趣的硬件產品,第一時間為你呈現。

頂樓

關注前沿科技,發表具有科技的商業洞見。

www.第四色,国产欧美在线手机观看,福利区站,日本ava女名字带图