【WRC 大咖观点】Yael Edan《农业机器人助力智慧农业：技术现状与未来挑战》
编者按：
2022世界机器人大会主论坛群星璀璨，产、学、研各领域大咖齐聚首，共话巅峰，为机器人未来发展领航。
峰会现场，Yael Edan发表了题为《农业机器人助力智慧农业：技术现状与未来挑战》的演讲。以下为Yael Edan演讲内容的整理。
早上好，我很荣幸能在世界机器人大会上发言。我是Yael Edan，以色列内盖夫本-古里安大学教授，农业、生物学和认知（ABC）机器人技术倡议项目主任，以色列机器人协会的创始人和会员。接下来的20分钟，我将向你们做演讲。我演讲的题目是，农业机器人助力智慧农业：技术现状与未来挑战。
我已经研究这个话题30多年了，我想介绍该领域的一些进展以及存在的问题。我们基本上经历了30年的农业机器人的研发，开发了许多应用，在绝大多数的领域取得了进展，包括针对温室和田间作物栽培的应用、播种、栽植、间苗、除草、授粉、收割、喷洒应用。最近也有很多监测应用，包括产量检测、疾病检测和表型。在果园里，我们在收割、喷洒和监测方面，也做了很多研发工作，在畜牧业中也有许多应用，挤奶机器人可能是最成功的应用之一，也是现有的单一商业系统之一。技术人员正在开发家禽饲养、捡拾鸡蛋、家禽健康监测方面的应用。在奶牛场做了很多工作来扩大挤奶机器人的产量，例如，开发了畜栏清洁机，还有很多牧羊机器人，所有这些都开发出来了。因为农业的独特性，工作枯燥、条件非常恶劣，全世界都缺乏劳动力。当然，农业机器人技术可以提高质量和开展集约化生产、提高经济效益，如果我们看看农业机器人技术的发展。我们基本上看到了各种机器人技术，从完全依赖型机器人技术到完全自主的机器人技术。这种自动化程度或水平是针对不同的运动、操控和传感方面，完全依赖型机器人是完全受人工驱动的。机器人对周边环境没有意识，完全自主的机器人刚刚上市。针对操控，最初的是完全依赖人工的固定行为，没有考虑到周边环境，现在发展到完全自主的系统，可以完全意识到周边环境。当然也有半依赖水平，中间水平和半自主水平。其中人类在各个方面融入到整个循环系统中，在农业机器人技术的感知方面，从没有感知的手动操作，发展到完全有传感器的拥有很高的感知水平。传感器也会集成历史信息、天气信息、其他信息等。这是非常高的感知水平，在农业机器人方面我们还没有达到这么高的水平。我们一会儿将谈到这一点。我们有不同的传感水平，有局部传感，全局传感。我们有一些数据源，多个数据源，多个传感器。我们也有历史信息，在连接性和协作方面。我们很快就会看到，绝大多数的操作从单一机器人操作，转向多个机器人操作。
今后将是协作机器人与传感器、物联网和人类之间的联系。我将简要介绍一下最新技术现状。在农业机器人技术方面，为什么我们仍处于一个非常有限的水平。我们要达到很高的智慧农业水平，将机器人技术与人类的知识、决策和协作与传感器集成在一起。未来面临哪些挑战。所以，简要回顾过去30年农业机器人技术的发展。我们可以看到，过去5年里确实得到了集中、快速的发展，这些只是机器应用于田间作物的一些例子。以色列公司一家机器人技术公司Blue White Robotics提供了一个工具包，可以把任何类型的机器变成自主机器，比如我们有DOT SeedMaster ，有自主拖拉机，可以沿道路前进 ，可以沿道路自主导航，可以连接任何用具，比如播种机 、喷雾器自主完成操作，沿道路来回运动，例如Blue River技术公司拥有本地化的杂草除草剂喷洒技术。还有一些其他例子，比如此例中，机器依靠人工驱动。但喷洒是自主完成的，所以操纵是自主完成的。我们能让机器人探测到杂草，并只对杂草进行局部喷洒。近来选择性作物收割机发展迅速，比如Ramsay Highlander公司的收割机。这只是部分例子，此外还有更多例子，用于葡萄园的农业机器人也取得了诸多进展。针对葡萄这种高价值作物，我们有修剪器还有喷雾器。如右下角所示，我们BGU公司研发了一款局部喷雾器，可以仅针对农作物进行定点智能化喷洒，仅喷洒在大片作物上，还能根据叶量控制喷洒量。此外还有其他例子。可见多数例子中，机器人的移动性能有所提升，操纵性能也有所进步。目前我们尚未创建机器人编队，现有机器人主要用于修剪、收割、喷洒和清除杂草。果园收割机方面也有诸多进展。现在展示的是本地进展的例子，各类苹果和柑橘收割机。这类机器人同样依靠人工驱动，但自主操纵已然达到很高水平。Tevel公司的农业机器人是为数不多的在机器人编队方面取得进展的。该公司拥有高度智能的无人机，可用于收获果实，用于室内种植的农业机器人也进展卓著。
当然室内环境更加可控，更便于使用农业机器人。机器人的运动性能各不相同，主要用于选择性收获或监测系统、温室收割机，所处环境更加可控，因此收割机更易运作。运动性能和操纵性能都有所进展，它们变得更自主化。这是我们目前正在研究的收割机应用，左边的机器人，来自BGU公司最近参与的一个欧盟项目，右边的机器人由以色列一家本地公司研发，拥有特殊系统。以上便是历经30年集约农业机器人技术研发后的农业机器人的技术现状，技术上的可行性已得到证明。然而 进入市场的商用机器人系统比较有限，农村商用机器人系统之所以在市场比较有限。主要是因为这些机器人系统性能欠佳也不够经济实惠，这点我稍后会讲到，这些问题源自特殊的农业环境。农业环境情况复杂，很难应对，是最为复杂的环境之一。农业环境变化多端，因此难以预先建模。农业环境是非结构化的，不同田地区别明显。北方的田地与南方大相径庭，北方的不同田地间也有所不同，晴天和阴天田地环境也会发生变化。不同果园之间也存在差异，环境状况变化莫测。此外，我所面对的环境非常恶劣，湿度温度较高，污垢灰尘遍布，我所面对的作物同样变化多端，即便是同一张图片中，也不难发现在左上角这个图片中，这颗甜椒颜色很深。这张图高度眩光，而这张图什么也看不清。这张图上则有很多水果，可见 颜色、阴影、质地、位置和成熟度会造成显著差异，应对起来相当复杂。
与其他领域的应用相较，如果我们在50年代初看到机器人深入工业市场，我们有能够处理结构化且可控物体的机器人。当然，在一个结构化的、受控的制造环境中。我们看到20年后，该机器人技术开始深入太空和防御机器人市场。这时处理的物体是结构化的，有时不受控制机器人负责防御，想识别人类，想识别坦克，不需要了解具体某一个对象。环境是非结构化且不可控的，但我可以为太空方面的研究投入更多的钱，超过百万或数千万美元来研发此类机器人。在许多医疗应用中，我们十多年前就开始看到，机器人的应用主要是在远程操作方面。自主机器人也进入了市场，我们谈论的是与农业类似的生物性质的物体，非结构化未知且极易变化，但是环境是非常可控且结构化的。在医疗手术中，我会花很多钱买一个医疗机器人。农业中，我们谈论的是非结构化，且不可控的对象和环境。此外农场主最多愿意投入，10万欧元购买一辆卡车，一套自制系统，这将是最大的差距。所以我们说的是试图解决最复杂的问题，用一个非常稳健且便宜的系统。这是因为产品本身非常便宜，所以需要什么来解决这个问题？我们需要简化任务，我们需要增强机器人。我们需要确定需求，已经有很多关于简化任务的研究，我不在这里进行过多讨论。这需要作物设计，我们不能像在制造业环境一样，就这样把一个机器人送进果园或者温室，我们需要调整作物。我们会调整车间以安置机器人，我们需要设计和改进栽培系统，这可以通过品种选择和育种来实现。例如这里，如果我把草莓挂在上面，很容易看到它们。如果我的果园是狭长型，就很容易进行采摘，我们需要这么做。
此外，我们还需要增强机器人。我们需要开发智能机器人，能够适应或能够学习，能够与人类合作的智能机器人。这就需要先进的传感技术，先进的传感技术已应用于农业中。在开发用于热检测，多/超光谱检测，水果本地化疾病检测，花朵检测，压力检测等传感器方面有大量的实际研究，需要将这些传感器集成到机器人系统中。然而，我们需要简化传感功能。如果我们能用一个鼓风机，把树叶吹走。我不想使用复杂的传感器，我可以直接吹这个水果。我可以用简单的使用闪光灯，关闭闪光灯的方法来提取图像，并准确地检测出水果位置。所以我想使用一个尽可能简化的传感功能，以简化系统并使其能稳健运作。另外 我们需要增强传感功能，这是可以做到的。通过大量的算法。为了检测水果，我们需要找到最佳的视点。我们需要做动态视点选择，我们需要选择最小数量的视点，以便检测水果。为了实现这一切，欢迎大家查看我们在这方面的一些研究。我们需要做主动感应。例如，在这幅图像中，我们不想在所有地方使用一个同样的阈值。有的地方会使用较高的阈值，有的地方会使用较低的阈值，我们想改变目标函数，取决于我们何时远离水果。我想尽可能多地在背景中探测，我想得到低FP值。但是当我离目标更近的时候，我想要一个高TP值和高准确度。我们当然可以适应学习，我们经常这样做。为了检测水果，检测水果的压力、水果的位置，诸如此类。但是这需要很多数据，这是农业领域的一个限制，因为数据采集是很棘手的工作，需要大量的工作，需要采集大量的智能数据。因为正如我提到的，水果内部有非常高的变异性，田野内，田野间，和作物栽培品种之间、作物之间也有。这需要非常智能的算法开发，这可以简化，以便将人纳入循环系统之中。因此，简化了任务。
我们已经处理了不同的人类协作模式 如果是远程操作。如果是不同程度的自主性。这是一个要解决这个问题的方法，这当然需要未来开展研究。我们当然需要开发智能机器人，智能机器人是非常简单的机制，但却能发挥作用。同样对于农业来说，我们正在处理一个非常复杂的环境，所以保持简化就是解决办法。保持简化然后让它发挥作用，这些只是一些应该探索的例子，以便接纳并使农业机器人成为引人注目的事物。此外，我们当然需要考虑到经济因素，有多少机器人？多少人？这些人是如何一起协作的？我们不应该以农业机器，100%的成功为目标。我是说，这在技术上是可行的。但会要求非常复杂，需要非常昂贵的系统。让我们以70%的成功为目标，人类无论如何都会实现100%的目标，因为农民不希望人类不参与循环系统之中。所以让机器人做70%，让它成为一个简便的机器人，成为性价比高的机器人，并让人类补充缺失的百分比部分。关于技术要求，总而言之，我们需要把作物和机器人、传感器联系起来。我们需要为优化的机器人去优化作物，我们需要保持设计的简便、智能。这意味着它是一个傻乎乎的、简便的系统。当然它必须是安全的。当然，我们需要一个负担得起的设计。这需要人类参与到循环系统之中，除了技术要求外，我们需要考虑到其他要求。就像我提到的，经济因素，我们想要一个多功能机器人吗？还是我们想要几个机器人，每一个做不同的任务？一个做喷洒任务，一个做收割任务，一个做监测任务，一个做收割任务。所以这是一个很大的问题，就像我之前提到的，机器人的数量问题。我们当然还需要考虑安全问题、法律问题、社会问题、物流、可用性、可接受性问题。当然还有农民需要参与决策的问题，如果没有农民参与，也不会有机器人进入市场。
所以，总而言之，正如我们所看到的从30年代初到90年代的时候，机械化增加了农业产量。通过引入机械化，我们在90年代初开始看到，智能传感器的普及用于各种精准农业作业。此前我们还没有看到有驱动系统，驱动系统现在刚刚兴起，我们开始看到机器人。有了自主系统，这种拥有自主系统的机器人还没有商业化，才刚开始兴起。对于非常简单的操作，例如 美国约翰迪尔（John Deere）公司开发了可在田间来回工作的拖拉机。正如我此前提到的，我们有挤奶机器人。但如你所见，我们没有更多地可以投入市场的开发项目。这些需要和大数据联系起来，需要与信息、与整个食品链联系起来，这会实现我们开始看到的农业4.0。我们现在就处于这个阶段，我们正处于向农业5.0转变的阶段。在这个阶段，我们将把智慧农业与农业机器人结合起来。所以我想说下一个十年，目前的最新技术现状是我们有农业机器人，现在我们需要将它们连接到整个系统之中，需要用感应器将这些机器人和人类联系起来，需要把这些传感器与这些机器人的决策连接起来，从而让农业机器人，成为自动化、智能化、互联化的智慧农业世界中不可分割的一个组成部分。到2050年 农业机器人将有望包括所有这些机器人。当然，我们需要考虑2050年的农业形势。我很高兴，也很荣幸向大家介绍农业机器人技术，我很乐意解答大家可能会提出的问题，并提供所需信息。
—— Yael Edan
