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机器人除草机诞生记

现年47岁的Heraud从小热爱数学,5岁之前生活在祖父母的农场,那里种有200英亩的番茄和大米。童年农场是令人愉快的,包括乘坐拖拉机、偷袭果园、从鸡舍里掏蛋……但也有些,是Heraud不喜欢的——每天凌晨五点起床,与堂兄弟们一起在农田中拔草,拔到六点。这使他很早就明白,一个农场,哪怕再小,本质上都是一个大型的“户外工厂”。十几个孩子一起在田里不停地弯腰、拔草、再弯腰、再拔草……这简直就是机器该干的活儿。

Redden是美国斯坦福一位24岁的机器人学博士。Redden也在农场长大。童年的他,夏天在叔叔6000英亩农场的玉米地里工作,是一个与Heraud一样的农业小能手。

农田中的杂草在适应性和繁殖性方面能力都很强,而杂草中最强势的是长芒苋。它可以长到高达10英尺,茎杆与玉米芯差不多粗。一棵单株杂草可以繁衍出100多万粒杂草种子。被一株长芒苋侵袭的田地会演变出上亿株杂草,这不仅给农事活动带来困扰,还提高了杂草突变抵抗除草剂的可能性。对一位农民来说,长芒苋就像一种能抵抗各种抗生素的葡萄球菌。

Heraud和Redden认为可以应用机器区分作物和杂草,然后用机械方法或喷洒目标剂量的无毒物质除去杂草。两人首先考虑了热熔胶、激光束、电流和沸水。经过数月的研究发现,没有办法绕过除草剂。用电或高温液体去除杂草比化学品需要更多的时间和精力,并且无法保证效果。这些方法可能去掉地上可见部分的杂草,但无法去除根部杂草。而用机械钳拔掉杂草对于机器人来说,是一项比喷洒微量化学品耗时更长的任务。Heraud和Redden面临的挑战是,找到能够精确应用化学品的措施。

于是,他们组装了第一台机器人除草机See&Spray。带着这台机器人除草机,Heraud和Redden来到阿肯色州的棉花之乡——玛丽安娜,在Reed家的棉花田中进行测试。一个巨大的织布圆顶从Blue River的拖拉机背后延伸出来,保护机器人免受灰尘和雨水的侵袭。圆形顶篷下有8台计算机,此外还有笼罩在机器人上方的3个大容器,都装满了水溶性的铁蓝色染料,这是用于测试的假除草剂。

一位软件工程师坐在拖拉机的驾驶室里盯着一台笔记本电脑,电脑屏幕上显示着安装在机器人下方的16台摄像机收集到的地面综合视图。它能显示龟裂的棕色土壤,棉花秧苗已伸出大约3英寸长,杂草随机分布,对于未经训练的人类肉眼而言,这些杂草与棉花植株根本无法区分。机器人可以做这种细微的区分工作。See & Spray正在扫描作物,并在30毫秒内,将棉花与杂草区分开来,同时决定喷洒多少除草剂以及喷洒在哪些地方。屏幕上棉花外围显示为圆圈,而数十个重重叠叠的矩形标示在杂草外围。

蓝色“除草剂”的细小喷雾从横跨8个棉花作物行的128个喷头射出。蓝色墨水斑块以完美矩形落在杂草丛中,其中一些是一张纸的大小,另一些只有拇指那么大。“如果有一处失误,都会要了我棉花的命!” Reed开玩笑地说道,指着一片被喷上蓝色的棉花幼苗。

在 Reed的农田里,有许多蓝色的棉花作物,而旁边的杂草则未被触及。这台机器开始有些困惑了,因为有一些棉花变得矮小而枯萎,看起来达不到See&Spray在程序中设定的棉花识别的健康程度。机器人需要首先学习数百张、然后数千张、最终达到数百万张的棉花图像,以了解作物的多种变化,叶片随着时间的推移如何改变形状和质地,状况不佳和健康时的样子,以及在生长各个阶段的样子。机器人从这个图像档案中获取信息并做出区分和决定的能力叫做“深度学习”。

此外,Heraud和Redden还前往澳大利亚的一个棉花农场为See&Spray建立记忆库。他们将摄像机安装在改装过的购物手推车上,花费3个月的时间将其推到不同的农田中,上传了大约10万张棉花图像。每一天,Heraud的团队都会拍摄数万张新的棉花图像,坚持了两周,每天都会使机器人变得更加精确。

在该地区,除草剂约占农场运营成本的40%,年超过50万美元。在每一英亩的棉花地里,通常需要使用约20加仑的除草剂。经过数周的试验后,See & Spray机器人似乎能够仅以每英亩2加仑的除草剂处理杂草。

Hearaud的下一步计划是将Blue River的机器人推向除草机以外的施肥机。肥料是造成藻类大量繁殖的因素,这些藻类正在杀死鱼类并使湖泊的流动性变差。农民每年在肥料方面的花费一般高于除草剂,每年约为1500亿美元。但这种转变对于机器人来说是一个巨大的飞跃,它必须收集一系列视觉信号,作物叶子的颜色、大小和质地,并从这些数据中推断作物的健康状况以及它所需要的营养成分。 Heraud认为,实现机器施肥所需的处理能力比机器除草强大得多,但还是可行的。

该技术链中的下一个环节预计是一种农业多方位覆盖解决方案:一种按照需求喷施的机器人,不仅可以用来喷施除草剂和肥料,还可以喷施杀虫剂、杀菌剂和水。

参考资料:

This Army of AI Robots Will Feed the World

 

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