無論是草莓、蘆筍還是蘋果，采收季往往面臨熟練工短缺的困境。為此，眾多科研團(tuán)隊(duì)正致力于研發(fā)可為農(nóng)業(yè)企業(yè)提供助力的采摘機(jī)器人。“目前已有若干原型機(jī)，但均未達(dá)到理想性能。”維爾茨堡尤利烏斯-馬克西米利安大學(xué)機(jī)器人學(xué)教授Andreas Nüchter表示。

為提升田間機(jī)器人的傳感技術(shù)，Nüchter團(tuán)隊(duì)為波茨坦萊布尼茨農(nóng)業(yè)工程與生物經(jīng)濟(jì)研究所（ATB）開發(fā)了新型三維激光掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過可靠測(cè)量果實(shí)含水量（決定采收時(shí)機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)）等參數(shù)，可更精準(zhǔn)評(píng)估植株?duì)顟B(tài)。

三維激光掃描儀正在夜間對(duì)蘋果樹進(jìn)行掃描

ATB研究員Manuela Zude-Sasse博士率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將該系統(tǒng)部署于波茨坦試驗(yàn)場(chǎng)，初步測(cè)試已獲成功。這臺(tái)三維激光掃描儀安裝在環(huán)繞120棵棚架蘋果樹的傳感輸送站上。Nüchter教授指出，首輪測(cè)試證實(shí)“我們能對(duì)植株進(jìn)行有效測(cè)量與建模”，這對(duì)采摘機(jī)器人至關(guān)重要——它們必須準(zhǔn)確“解讀”蘋果樹等作物的個(gè)體差異。

“掌握成熟度數(shù)據(jù)對(duì)園藝產(chǎn)品的種植調(diào)控、采收時(shí)機(jī)和貯藏管理具有重大意義，”Zude-Sasse博士解釋道，“在全球變暖導(dǎo)致生長(zhǎng)因子日益多變的背景下，獲取果實(shí)發(fā)育的精確數(shù)據(jù)對(duì)科學(xué)建模及未來商用采摘機(jī)器人都愈發(fā)重要。”

此次蘋果樹掃描圖像顯示，激光掃描線同時(shí)照亮了背景中的林緣輪廓

三波長(zhǎng)植物測(cè)量技術(shù)
該新型傳感系統(tǒng)將持續(xù)運(yùn)行至2025年11月，對(duì)120棵蘋果樹進(jìn)行監(jiān)測(cè)。植物掃描儀采用防風(fēng)防雨設(shè)計(jì)，可在0-40℃環(huán)境溫度下工作。其基于結(jié)構(gòu)光原理運(yùn)行：向植株投射520nm（綠光）、660nm（紅光）和830nm（近紅外）三種波長(zhǎng)，通過反射信號(hào)獲取植株三維空間信息。由于各波長(zhǎng)信號(hào)可獨(dú)立解析，為監(jiān)測(cè)植株含水量等生理特性開辟了新途徑。

當(dāng)前三維激光掃描儀僅限實(shí)驗(yàn)用途，其激光強(qiáng)度可能損傷人眼視網(wǎng)膜，因此戶外操作需嚴(yán)格管控。ATB對(duì)測(cè)量區(qū)域?qū)嵤?zhǔn)入管理，確保未經(jīng)培訓(xùn)人員遠(yuǎn)離作業(yè)區(qū)，但激光對(duì)植物本身無害。

結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用，該激光掃描儀可抵御降雨并耐受高達(dá)40℃的高溫環(huán)境
 

該項(xiàng)目融合了JMU機(jī)器人團(tuán)隊(duì)在光學(xué)設(shè)備研發(fā)領(lǐng)域的核心優(yōu)勢(shì)，以及ATB在作物研究方面的長(zhǎng)期積累——該所已開發(fā)用于果實(shí)品質(zhì)分析的光譜光學(xué)方法，并建成完備的田間植株分析基礎(chǔ)設(shè)施。新型三維植物掃描儀將進(jìn)一步提升建模數(shù)據(jù)質(zhì)量，為未來采摘機(jī)器人制定更精準(zhǔn)的作業(yè)規(guī)范。

Nüchter教授是ATB的理想合作伙伴：其團(tuán)隊(duì)正為太空探索開發(fā)類似的激光掃描技術(shù)。“無論是月球還是火星任務(wù)，水資源探測(cè)都是核心課題。我認(rèn)為激光掃描技術(shù)對(duì)此具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。”這位教授強(qiáng)調(diào)道。