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2050 年,我们需要 500 万「机器人」摘水果

  • 极客公园
  • 2022年8月29日06时


果农的成本,70% 是在采摘。


作者 | 陈晨
编辑| 郑玄


不久前的世界机器人大会上,一个农用采摘机器人的展台引起了现场的围观。

「它能模仿人类的手把果实摘下来」,现场的工作人员向大家介绍机器的工作原理。机器臂前端的蓝色软爪轻轻地抓住猕猴桃,然后前后摇摆爪子,把猕猴桃从藤上「掰」下来,被摘下的猕猴桃,又顺着软管滑落到了小筐里。


智能采摘机器人现场演示摘猕猴桃 | 来源:极客公园


人摘果子基本有手就行,但想让机器人采摘却并不容易。这是农业自动化领域里很难攻克的一个环节,主要有三个难点:首先需要在枝叶的遮挡下准确地定位果实的位置,识别出哪些果实是成熟可以采摘的,再以不碰坏果实的方式摘下水果。

也是在近几年,采摘机器人才慢慢有了一些产业上的突破,美国和以色列分别诞生了一些这个领域的明星公司。但从实验室走进农场,采摘机器人需要解决的远不止技术问题——作为人力的替代品,成本和效率才是采摘机器人商业化道路上最大的痛点。

上文中的参展商,杭州乔戈里公司的销售负责人朱工告诉极客公园,他们创业已经有三年多的时间,之前设备一直没有进入市场,而是以半合作半销售的方式,提供给一些科研院校和政府机关单位。

「也是近期,我们觉得说有一些苗头出来,大家会去考虑(购买设备代替人工)。」这位负责人谈及参展契机时说到,「我们去也是做一次考察,看看大家对采摘机器人的想法和需求。」



01

小小的采摘,

大大的需求



采摘是水果生产链条中最耗时、最耗力的环节,在果农的经营成本中,雇佣采摘工人的费用占据了 50%~70%。

然而今天劳动力市场的大背景是:农业劳动力向其他产业转移,人口老龄化加剧农业劳动力的缺失,雇佣农工的成本逐渐增高。

以色列采摘机器人公司 Tevel Aerobotics Technologies 的官网上标注了几个数据:到 2050 年,人口将增长 40%,需要水果产量翻一番;到 2050 年,农业就业人数将减少一半,导致 500 万水果采摘者短缺,进而导致全球超过 10% 的水果无法收获(相当于欧盟的年消费量)。

采摘环节的「机器换人」并不是一个假需求,这也很好地阐释了为什么一些公司愿意在这个领域投入时间与精力。

20 世纪 60 年代,在工业机器人刚刚起步时,美国学者 Schertz CE 和 Brown GK 看到了机器人在人力替代上的潜力,提出了将机器人的技术运用到水果的采摘上。然而刚开始的机器采摘是「粗糙」的。

之前果树采摘应用最广泛的是震荡法。机器车开到果树下,反复冲击树干将果实震落。这种方式可能损伤树木,还会导致果实在下落过程中被其他果实和树枝碰坏,损伤后的水果不仅卖不出高价还难以保存。

水果采摘需要更精准,也更安全的技术,随着机器人视觉、人工智能等技术的进步,一批技术研究员和初创公司,投入到了更自动化、更智能的采摘机器人的研发中。

美国初创公司 Abundant Robotics 当年机器人采苹果的视频曾在网上轰动一时,其采用了一种真空吸取的采摘方式,整个机器设备像是一台大型「吸尘器」,设备吸取的东西,则是识别到的已成熟苹果。用「吸」代替「抓」减少了对苹果表皮的损坏,也将单个苹果的采摘时间控制到了 2 秒,大大地提高了机器采摘的效率。


Abundant 用真空吸取的方式采摘苹果 | 来源:Abundant Robots


乔戈里的第一代产品也跟 Abundant 一样,采用了真空吸取的方式。但是为了提高设备的兼容性和使用率,他们没有将采摘的对象固定在某一个品类上,而是希望设备在更换末端的执行机构后,可以采摘多种水果。

他们在测试中发现,真空吸取的对象是苹果、猕猴桃这类硬果还行,遇到草莓、西红柿这种更软的水果时,却容易在吸的过程中,对果体造成损坏。

如何轻柔地摘下水果一直是采摘机器人的重要研究课题。英国普利茅斯大学(University of Plymouth)的研究机构 Fieldwork Robotics,开发了一款采摘覆盆子的机器 Robocrop,在 Robocrop 的机器手上采用了一种柔软的夹垫材料,在夹子下面则是压力传感器,以此保证在施加力时不损伤果实。

乔戈里的第二代产品,也加了一个软爪的结构,除了为了不压坏水果,也以便在吸之外,进行拽、掰等更多操作。

不过,虽然机械手可以适用于多种水果采摘方式,但跟吸取的方式相比,机械手的操作时间更长,一般需要 6~7 秒。

2021 年,以色列的 Tevel Aerobotics Technologies 获得了 RBR50 机器人创新奖,他们将无人机用在了水果采摘上。

他们给每个无人机上配备了用于定位和识别的视觉系统,以及用于采摘的机械臂和抓手。无人机从连接的地面控制车上获得电源,也将采摘的水果放在采摘平台上。更小巧灵活的无人机也能更方便地够飞到树梢采摘。


Tevel 用无人机采摘水果 | 来源:网络


机器采摘的技术一直在进步。

乔戈里的机器人在学习了近万张猕猴桃的照片后,能像经验丰富的果农一样根据质量、大小对猕猴桃进行分类,准确率达到了 90%。在投入研发三年多后,现在他们的设备可以采摘的水果有猕猴桃、苹果、西红柿、草莓、梨。

也许现在还存在着没能解决的问题,比如树叶遮挡导致识别不到水果、机械臂构造复杂导致采摘单个果实的耗时长,但是随着人工智能技术的进步和越来越多创新者的加入,技术的问题将会更快地得到解决方案。


02

农机的智能化,

还需农艺的配合



2019 年 1 月,乔戈里的智能采摘机器人项目立项后,被列为浙江省重点计划研发项目,它还有一个标签,即第一款针对我国水果种植现状开发的采摘机器人。

朱工传递出一个观念:在国内做采摘机器人更难。

「市面上有的,比如说像小番茄、黄瓜这种,相对来说比较标准的,我们大部分都是能做的。朱工谈到了一个种植标准化的问题。

现在机器采摘相对而言比较成熟的品类,是草莓和小西红柿。他们是标准化较高的作物,在立体种植中,他们的果实垂吊下来,便于机器采摘。而且草莓这种根茎长的作物,还可以直接从根部收割,避免对果实的挤压破坏。

高架栽培模式是「荷兰式种植」的体现,通过从种植到采摘运输的全套配合,达到高度自动化与机械化。国外种植的标准化,一定程度上减少了很多采摘过程中的难题。


机器收获垂落的草莓果实 | 来源:网络


「像国外植株间的间距,比如说是 10 厘米,那他就是 10 厘米,不会多也不会少。这对我们的机器人来说也是一个很好的条件,采摘的时候只要设定它的路径还有节拍就可以。」

国内采摘机器人难做的原因,除了人力成本较为低廉,还因为标准化种植的水平也相对较低。国内一些公司也选择先从种植更规范的品类切入,比如多采科技选择了草莓采摘机器人。

2019 年 Abundant 的采摘机器人驶进 T&G 农场之前,其实还发生了一个有意思的事情:T&G 花费了四年的时间将苹果树「训练」成一面面墙的形状,让苹果长在一个平面上,便于 Abundant 的机器人采摘。

这件事情显然不是所有人都可以做到的,虽然听起来很极端,但这也显示出一个事实:机器人和环境是相互成就的。

机器人只是智慧农业中的一小个分支,实现智慧农业还要农机和农艺相配合。但好在,国内也正在出现标准化种植的趋势。根据朱工介绍,他们的一些客户已经考虑扩建时直接建成智能农场,规范品类的种植,以便于后续的整套管理与采摘。

对于农户和建设智慧农场的平台来说,除了种植的规范,增加种植的品类也是一大趋势。

蔬果的采摘期较为有限,比如苹果的采摘期 2 个月,草莓的采摘期 1 个月。如果一台采摘设备只有于一种设备的采摘,那它其他的时间就是闲置的。以一年为单位,雇佣临时采摘工人的费用可能比采购一台设备更划算。

在跟客户打交道的过程中,朱工他们也发现部分客户已经有了同时种不同水果的苗头,保证一年四季都有可采摘的品类。

像乔戈里这样的采摘机器人制造商,也将更多的功能集成在采摘机器人上,将设备的功能最大化,尽可能覆盖作物生长的全流程。目前,他们的设备就计划能通过替换末端的执行件,完成套袋、授粉、喷药的工作。



03

价格,

采摘机器人商业化的最大痛点



「如果这场疫情没来,我们也不会考虑这么快推这个设备。」

朱工介绍,乔戈里现在比较标准的草莓采摘机器人,价格是在 40 万元左右,购入设备的成本对于农户来说还是很高的。因为疫情招工难,农户在无法完成采摘、损失掉整个果园的风险下,才愿意考虑购置设备。

今年年初,他们向实体农户销售了一台设备,用于采摘猕猴桃。即使第一台设备成功销售,采摘机器人的市场仍然很难打开。

时间回到 2015 年,在遥远的大洋彼岸,Abundant 的团队展示了一个采摘机器人原型,在描述中他们称这是「第一个商业上可行的果园采摘解决方案」。

然而仅仅两年后,这家公司宣告停业,出售了所有的知识产权和资产,其中包括大量真空操作专利、用于识别水果位置及其质量的视觉系统等。

Abundant Robotics 的清算最终被归因为疫情期间没能打开市场,导致资金难以为继,它的知识产权最终流转到了产品开发孵化器 Wavemaker Labs 手中,以 Abundant Robots 的名字重新被推出。

而现在,Abundant 的机器人正在以更「便宜」的方式重新设计。Wavemaker Labs 的创始人兼 CEO 巴克·乔丹(Buck Jordan)说,「之前的团队每次在建造原型时,都选择了最昂贵的选项。」他还表示,在不影响性能的前提下,将成本降低到 10 万美元以下是容易的。


Abundant 采摘机器人在果园中工作 | 来源:Abundant Robots


通过 Abundant 的案例不难看出:成本,是采摘机器人面临的一大难题。同样尝试降低成本的还有 2021 年被 AppHarvest 以 6000 万美元收购的 Root AI,它的采摘机器人 Virgo 可以识别西红柿、辣椒、黄瓜等多种作物。

Root AI 的 CEO 也是现 AppHarvest 的首席技术官在谈到未来的业务重点时说,「现在希望降低机器人的成本,并在 2023 年发售正式版的 Virgo。」

在通往商业化的路上,大家不约而同地选择了降低成本。而在商业模式的选择上,这些先行者的决策同样具有借鉴意义。

Abundant 计划成为一个提供服务的平台,去拥有、维护、运输和操作机器人,「换取农场的合同付款」,在南北半球两个 90 天的收获季(北半球的 8-11 月,南半球的 2-5 月)中找寻客户。这是一种被称为 RaaS 的模式——机器人即服务。

Tevel 团队同样将带着设备为农民采摘水果。他们还与美国和欧洲的两家公司展开合作,将他们技术整合给当地合作伙伴,授权其为当地客户提供水果采摘服务。

乔戈里告诉极客公园,目前,他们对未来商业模式的设想仍然以销售设备为主:「如果说这个市场的需求量还蛮大的,可能今年或者明年会往这方面去进行一个批量的投入。」

今年参展的反馈还算不错。朱工说,「今年有意向的客户确实蛮多的。」

他接着说,「农户也更愿意用设备替代人力,规避掉管理的问题,还有一些客户在做智能农场,愿意在项目中添加一台采摘机器人。」




*头图来源:视觉中国

本文为极客公园原创文章,转载请联系极客君微信 geekparkGO



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