Боты для фермера
Текст: Татьяна Петухова, Динар Хайрутдинов | 2019-02-01 | Фото на заглавной странице: | 11311
Сельское хозяйство занимает сегодня огромные территории, но эффективность и экологичность их использования, несмотря на постоянное и уже многовековое совершенствование сельскохозяйственных технологий, по-прежнему оставляет желать лучшего. К примеру, для борьбы с сорняками химикаты обычно распыляются по всей территории поля, в то время как впрыскивание микродоз гербицидов исключительно в корневую систему отдельных растений было бы куда более экологичным и экономически рациональным. Возможно, что уже в ближайшее время, с развитием робототехники, в этой сфере произойдёт самая настоящая технологическая революция. По крайней мере уже имеющиеся в этой сфере наработки позволяют делать столь оптимистичные выводы. О перспективах сельскохозяйственной робототехники мы поговорили с одним из ведущих мировых экспертов и разработчиков роботов, учёным и инженером Салахом Сукарие.

— Салах, скажите, насколько актуальна сегодня сельскохозяйственная робототехника, и чем обусловлена эта актуальность? Может ли она быть объяснена, например, низкой производительностью человеческого или механизированного труда, нехваткой рабочей силы, нежелательными экологическими последствиями деятельности человека?

Я думаю, что её можно объяснить всем из вышеперечисленного вами. Примерно к 2050 году на планете будет уже порядка 10 миллиардов человек, и непременно встанет вопрос о суммарных доходах всех этих людей и о качестве их рациона питания. Конечно, это означает, что нам нужно будет производить больше еды, но ресурсы Земли ограничены, поэтому нам нужно воспроизводить их в экологически устойчивой форме с экономической эффективностью и бережливостью. Кроме того, сейчас мы имеем дело с такой проблемой как изменение климата, которая влечёт за собой и изменения во флоре и фауне, то есть меняются паразиты, с которыми приходится иметь дело в сельском хозяйстве, меняются болезни, бактерии, появляются новые проблемы, связанные с почвой и водными ресурсами.

Но существует и другой аспект: большинство фермеров по всему миру — люди старшего поколения, поскольку молодёжь сегодня не очень охотно идёт в сельское хозяйство. И многие страны видят решение этой проблемы как раз во внедрении в сельское хозяйство робототехники.

У нас в Австралии сельское хозяйство — это одна из ключевых, фундаментальных отраслей экономики, причём порядка 80% своей сельскохозяйственной продукции мы экспортируем. По территории Австралия достаточно большая, но при этом население страны составляет только 24 миллиона человек, и большинство этих людей живут в городах.

Кроме того, исторически в Австралии так сложилось, что к роботизации мы относимся очень серьёзно. Например, индустрия горного дела, шахтёрского дела у нас сейчас практически полностью автоматизирована. То же самое можно сказать и о сфере логистики, и об авиации, в которых автоматизация тоже очень развита. Поэтому нам кажется совершенно логичным, что следующая отрасль, которую следует автоматизировать — это сельское хозяйство.

— Расскажите, пожалуйста, чем в принципе занимается ваш центр полевой робототехники, разработке каких роботов уделяется основное внимание? Каких результатов к настоящему моменту вам удалось добиться?

Австралийский центр полевой робототехники — это научно-исследовательская лаборатория, которая базируется в Сиднее и существует уже около 20 лет. Мы являемся одной из крупнейших исследовательских групп в сфере робототехники в мире, у нас работает порядка 130 человек. Конечно, наше основное направление — это Field Robotics, то есть машины, которые занимаются полевыми работами. Но мы работаем не только с сельским хозяйством, а также с горнодобывающей индустрией, с авиационной индустрией, с транспортной промышленностью, с логистикой. На сельском хозяйстве мы сконцентрировали наши основные усилия только в последние 10-15 лет.

На данный момент у нас уже есть широкий спектр роботов для сельского хозяйства. Есть роботы, которые занимаются механической прополкой полей с зерновыми культурами, есть роботы для садовых культур, роботы, которые позволяют измерять площади пастбищ, перевозить сельскохозяйственных животных и другие.

Порядка 95% нашего финансирования приходит к нам из сельскохозяйственной индустрии, то есть мы не получаем государственного финансирования вообще. Мы напрямую работаем с заказчиками и занимаемся воплощением научно-исследовательских идей (в том числе и идей наших заказчиков) в конкретные разработки, проходим путь от лабораторных прототипов до так называемых «рабочих», операционных прототипов. В некоторых случаях мы коммерциализируем наши технологии, пускаем их в массовое производство. Наши заказчики, естественно, заинтересованы в том, чтобы идеи воплощались в жизнь, чтобы готовый результат был функциональным и работающим. Чаще всего происходит так, что мы работаем над той или иной моделью где-то в течение года или более, и даже после того, как у нас готов прототип, может уйти от года до двух лет на его доработку, которая всегда происходит в тесном общении с клиентом. Готовность той или иной модели для выхода в свет очень сильно зависит от того, насколько она доработана до такой степени, чтобы максимально снизить расходы на эту технологию, то есть сделать её эффективной, выгодной для заказчика, чтобы тот мог приобрести её в необходимом количестве. Поэтому часто доработка роботов бывает связана не только с функционалом, но и со стоимостью — мы стараемся максимально удешевить эту технологию после того, как мы её проработали функционально.


© Australian Centre for Field Robotics

Робот Ladybird (с англ. «Божья коровка») – интеллектуальный робот для овощеводства с солнечным электрическим приводом, способный проводить мониторинг различных культур. Он может автономно перемещаться по рядам овощной фермы, собирая данные, которые будут полезны для фермеров при управлении хозяйством. Например, он может заблаговременно обнаруживать проблемы, связанные с нехваткой в почве питательных веществ или определять симптомы различных болезней. С этой целью робот оснащён всевозможными датчиками, включая лазеры и гиперспектральные камеры.

— То есть заказчик играет ключевую роль в вашем деле?

Самым важным является то, что думает заказчик, и его бизнес-модель. Технологии, конечно, важны, но мы в этой индустрии работаем уже достаточно давно, и какие-то базовые моменты, связанные с технологиями, уже хорошо знаем. У нас есть квалифицированные инженеры, проектные менеджеры, которые прекрасно владеют ситуацией, информационными технологиями, знакомы со всеми последними разработками в области искусственного интеллекта, поэтому в этом отношении у нас проблем возникает меньше всего, и мы каждый раз знаем, как набрать команду под тот или иной проект. Я бы не сказал, что для нас это совсем просто, но относительно проще, чем всё остальное. По крайней мере, мы понимаем, какие здесь есть препятствия, подводные камни, какие существуют проблемы в сфере информационных технологий, и знаем, как их решать. Гораздо более трудная задача — это после того, как вы уже создали какую-то технологию, понять, как будет выглядеть бизнес-модель, в рамках которой эта технология будет применяться, то есть как эта система будет использована, и как с помощью этой системы добиться возврата инвестиций, которого в конечном итоге хочет заказчик.

— Насколько доступны ваши роботизированные системы для большинства фермеров? Могут ли их позволить себе владельцы небольших ферм или пока вашими заказчиками являются лишь крупные сельскохозяйственные предприятия?

У нас есть совершенно разные роботы, предназначенные для различных масштабов сельскохозяйственного производства. Есть системы, специально разработанные под крупные сельскохозяйственные компании, и в этом случае, естественно, основным заказчиком и покупателем этой технологии являются самые крупные игроки в сельском хозяйстве. Но у нас были и проекты, где мы разрабатывали маленькие, небольшие системы для развивающихся стран. Например, мы вводили роботизированные системы в таких странах как Фиджи, Самоа, Индонезия, делая их максимально доступными по цене.

Но есть ещё и такой момент: крупные сельскохозяйственные предприятия чаще всего покупают технику или берут её в аренду, тогда как маленькие сельскохозяйственные предприятия этим путём идут очень редко. Роботов для таких заказчиков, как правило, приобретает какая-нибудь отдельная компания, которая занимается консалтингом в области сельского хозяйства, и уже эта компания предлагает небольшим фермерам за определённую плату свои услуги по применению этих роботов.

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

Серия полевых испытаний небольшого робота Di-Wheel в Лембанге, Индонезия. Цель мероприятия – выяснить, каким образом робототехника может быть развёрнута и использована в сельском хозяйстве в развивающейся стране. В рамках исследования специалистами Австралийского центра полевой робототехники было проведено и интервьюирование местных фермеров, чтобы лучше понять их требования и ситуацию.

— В большинстве случаев машинный труд более выгоден экономически, чем труд человека?

Да, более выгоден и более точен. И особенно актуально это, как ни странно, в развивающихся странах, где многие фермеры сталкиваются с такой проблемой, что недорогую рабочую силу найти не так-то сложно, а вот найти высококвалифицированных работников — задача очень непростая. Поэтому чаще им бывает дешевле нанять какого-то консультанта, который привезёт на их ферму роботизированную систему и сделает для них, допустим, прополку или опрыскивание удобрениями, чем найти и нанять даже на какое-то непродолжительное время высококвалифицированных работников.

— На что в принципе способны сельскохозяйственные роботы, если сравнивать их с человеком? В чём их основное преимущество?

В сельском хозяйстве основной фактор — это необходимость многократного повторения различных действий и необходимость непрерывной работы 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Я должен отметить, что люди, конечно, по-прежнему превосходят роботов в некоторых видах работ, которые требуют ловкости рук, например, в сборе урожая, особенно фруктов, где необходима мелкая моторика. Эта работа гораздо более подходящая для человеческих рук, нежели для роботов. Мы работаем в этом направлении, и в будущем, не сомневаюсь, роботы догонят человека и здесь, но на сегодняшний день ситуация такова. Зато уже сейчас роботы гораздо лучше людей справляются с монотонно повторяющимися действиями и с такими видами работ, как точечная ирригация или точечная борьба с вредителями.

Ещё одна сфера, о которой часто забывают — это мониторинг роста сельскохозяйственных культур: роботы отлично отслеживают различные фазы роста и созревания растений. И это очень важный вид работ, который сводится, например, к определению необходимых для сельскохозяйственных культур в данный момент питательных веществ, удобрений и так далее. Автоматизированные, компьютерные системы с этими расчётами справляются намного лучше людей.

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

Робот Shrimp предназначен для сада. В его арсенале также имеется огромное количество датчиков – радар, лидар, паносферные, стереовизуальные и тепловые камеры. Благодаря этому он может выполнять множество самых разных функций, например, обнаруживать симптомы болезней плодовых деревьев, отыскивать спелые плоды или же подсчитывать будущий урожай сада – с точностью до одного яблока!

— На ваш взгляд, повлияет ли развитие робототехники на принципы ведения сельского хозяйства? Станут ли методы работы с землёй более экологически безопасными? Например, мы знаем, что традиционно для борьбы с сорняками химикаты распыляются на всей территории, в то время как роботы позволяют действовать выборочно.

Вы можете сказать себе: «Сейчас мы занимаемся на ферме тем-то и тем-то, давайте автоматизируем конкретные виды работ». Но можете задаться и таким вопросом: «В чём вообще состоит моя задача здесь, на этой ферме, какого результата я хочу достичь? И какими были бы эти задачи, если бы люди в этом процессе вообще не принимали участие?» И тогда автоматизация происходит уже немножко по-другому, потому что подходы и методы становятся другими.

Отвечая на ваш вопрос, я скажу, что те предположения, которые вы высказали, совершенно правильны. Всегда возникает вопрос — действительно ли более эффективно распылять химикаты не по всей территории, а точечно; или выпалывать сорняки выборочно, а не полоть всё подряд. С помощью роботов можно оценивать необходимость прополки или необходимость использования химикатов на уровне индивидуальных, конкретных растений. То есть благодаря роботам вы можете обеспечить практически индивидуальный подход к каждому конкретному растению и принимать решения, связанные с каждым конкретным растением, а не со всем полем целиком.

Но неплохо было бы задать себе ещё и такой вопрос: «Если представить ферму через 10 лет, в которой будут работать одни роботы — как бы она выглядела, и как бы выглядел тогда процесс без участия человека?» И этот интересный вопрос мы себе задаём постоянно, и он оказывает на наш мыслительный процесс очень большое влияние. Например, у меня есть плодовые деревья, и если я планирую автоматизировать свою ферму, я буду сажать их уже таким способом, чтобы они не мешали автоматизации, а способствовали повышению её эффективности, и это уже совершенно другой метод посадки деревьев. В этом плане мне будет выгоднее даже, может быть, немножко потерять в урожае, но сделать так, чтобы его было более удобно собирать с точки зрения робототехники и автоматизации. Если я бизнесмен, если я владею фермой, то я должен просчитывать и такие моменты тоже.

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

Робот RIPPA разработан Австралийским центром полевой робототехники для овощеводов. Как и у большинства других роботов, созданных в этом центре, источником энергии RIPPA служат солнечные батареи, расположенные на специальном капюшоне, под которым скрываются его внутренняя часть и оборудование. RIPPA перемещается по зерновым или овощным культурам точно также как комбайн и, используя встроенные датчики и нейронные сети, сканирует находящиеся под ним растения на предмет наличия сорняков или других нежелательных тел: от жуков до кусочков пластика. Обнаружив сорняк, робот прицельно выстреливает в него микродозами гербицида (аналогичным способом он может уничтожать насекомых). На случай, если применение химикатов недопустимо, робот оснащён специальным ножом (нижнее фото), столь же быстро и точно, но уже механически, уничтожающим сорняки. При необходимости этим же ножом робот проводит рыхление почвы. RIPPA может использоваться и для сверхточного внесения удобрений. В этом случае робот определяет уже не сорняки, а культурные растения, доставляя микродозы питательных веществ непосредственно к их корневой системе.

— Как вы работаете над «машинным зрением», то есть как вы обучаете роботов видеть, и что на данном этапе развития технологий они способны распознавать?

Это комбинация сразу нескольких технологий: технология сенсоров, технологии, связанные с распознаванием сенсорами количества света, и, конечно, необходимы определённые вычислительные мощности для обработки визуальной информации. Это могут быть технологии на базе фотографических изображений, на базе данных, считываемых лазером. И если нам необходимо разработать какого-то робота, способного видеть и визуально определять информацию, то мы берём ту или иную технологию и обучаем робота определять то, что нам нужно. Если, например, нам нужен робот, определяющий сорняки — мы настраиваем систему под сорняки, а если нужен робот, определяющий, насколько крупные или спелые плоды, соответственно, настройка роботов идёт с акцентом именно на это. Под конкретную задачу разрабатывается специальный алгоритм машинного обучения роботов, после чего мы идём в поле, тестируем этих роботов, вносим коррективы в алгоритм, снова тестируем, снова вносим коррективы и так до тех пор, пока робот не будет работать со 100%-ной (или близкой к 100%) точностью. Одна из сложностей здесь заключается в том, что часто приходится анализировать невероятно большие объёмы данных, чтобы убедиться в том, что один и тот же алгоритм будет работать при разных видах почв, при разных форматах посадки, в разных регионах и так далее.

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

Digital Farmhand – небольшой и относительно недорогой робот, который может быть адаптирован для посева, опрыскивания и прополки грядок. В качестве его датчиков используются камеры смартфонов. Как видно по фотографии, презентации подобных работов (в данном случае в Новом Южном Уэльсе) пользуются у фермеров большим интересом.

— Насколько ваши технологии просты в использовании? Ведь одно дело — приобрести такого робота для своей фермы, и совсем другое — научиться им пользоваться и его обслуживать. Нужны ли для обслуживания ваших машин специально обученные инженеры?

Конечно, всё зависит от особенностей конкретного типа роботизированной системы. Если говорить о крупномасштабном сельскохозяйственном производстве, то обычно там есть свой собственный внутренний отдел, занимающийся технологиями подобного рода, и собственная производственная команда — инженеры, агрономы, механизаторы и так далее. Они же обычно занимаются и расчётом того, насколько эффективно использование тех или иных технологий для их бизнеса. Кроме того, у крупных компаний всегда есть инженеры, которые способны осуществлять ремонт или содержание такой техники, поскольку это не так уж сильно отличается от ремонта и обслуживания тех же самых тракторов или комбайнов. Если инженеры и ремонтные служащие имеют достаточно высокую квалификацию, то они способны обслуживать наши машины.

Говоря о маленьких фермах и небольших производствах, то, как я уже отметил, они в основном пользуются услугами консультантов по внедрению современных технологий в сельском хозяйстве. Если компания привлекает услуги консультанта, то составляется контракт, и этот консультант полностью отвечает за привлекаемую технику и технологии. Соответственно, он же должен нанять людей, которые будут способны обслуживать робота.

— Есть ли такие аспекты, которые крайне трудно автоматизировать в сельском хозяйстве, в которых человеческий труд будет заменить сложно?

Я думаю, что здесь существует два основных среза: сравнение человеческого и машинного труда с точки зрения физической деятельности, и их сравнение с точки зрения деятельности умственной. На уровне физического труда всё, что человек делает пальцами рук, например, подрезание веток деревьев, срезание цветков у растений или, допустим, опыление — всё это довольно непросто воспроизвести при помощи роботов. Конечно, потенциально эти задачи разрешимы в обозримом будущем, и технологии потихоньку двигаются в том направлении. Поэтому достаточно скоро мы будем способны воссоздавать или имитировать человеческую руку.

Что касается умственного труда, то здесь нужно помнить о том, что для любого фермера очень важно системное, комплексное мышление. Фермерам нужно думать об очень многих вещах: о погоде, о поставках необходимых материалов и ресурсов, водоснабжении и электроснабжении, логистике, местных региональных особенностях ведения сельского хозяйства, социальных и общественных аспектах их бизнеса. Все эти моменты требуют высокоорганизованного стратегического мышления. Конечно, всё это крайне сложно воспроизвести в роботизированных системах. Они хороши для каких-то повторяющихся действий, но пока рано говорить о том, что в каком-то ближайшем будущем роботы заменят человека в плане стратегической оценки, в плане принятия стратегически важных решений. Возможно, для сферы сельского хозяйства вообще не стоит автоматизировать процессы, связанные со стратегическим мышлением, оценкой и так далее. Здесь робототехника скорее призвана служить помощником для людей, и уже сами фермеры должны решать, насколько им нужна помощь роботов и насколько эти технологии они готовы применять. Конечно, тут нужно сказать о специфике пищевой промышленности. Всё-таки производство еды играет некую особую роль в жизни человека, и традиционно люди этим занимаются самостоятельно. Поэтому роль роботов я бы свёл всё-таки к роли инструментов-помощников фермеров.

— Какой из ваших проектов выдался самым трудным, с какими сложностями вам довелось столкнуться, и как вы их решали?

Я думаю, что самыми сложными были проекты, связанные с пастбищным животноводством.

Здесь мы имеем дело с крупным рогатым скотом — животными, которые могут весить до 200-500 килограммов. Обычно они пасутся в местах не всегда равнинных и содержащих какой-то рельеф — скалы, камни, впадины и так далее. Поэтому даже в процессе измерения роботами площади таких пастбищ возникает масса вопросов — например, им необходимо двигаться, преодолевая препятствия, в том числе и в виде животных, которые тоже двигаются.

Вторая сложная для решения задача в рамках робототехники — это мониторинг здоровья животных. Здесь получается непростая комбинация из нескольких проблем: во-первых, необходимо создать очень сложные, трудоёмкие и наукоёмкие системы роботов; во-вторых, необходимо сделать их низкими по себестоимости, чтобы они были доступными по цене; в-третьих, необходимо частое использование очень продвинутых, сложных систем датчиков, а также очень сложных систем машинного обучения. По сути дела, это уже робототехника самого высокого уровня, и, честно говоря, именно в этой части нам ещё далеко до действительно хороших машин и технологий.


© Australian Centre for Field Robotics

Робот-пастух предназначен для выпаса стада от 20 до 150 молочных коров. Робот двигается очень устойчиво, что позволяет коровам перемещаться в своём темпе, что важно для снижения хромоты среди крупного рогатого скота. Оборудован тепловым и видео-сенсором. Благодаря им робот может обнаружить больных и раненых животных, оценивая температуру их тела и наблюдая за изменениями в их манере движения. Кроме того, у него имеется датчик цвета и способность определять текстуру и форму предметов, что позволяет ему производить оценку качества пастбища.

— Можете привести примеры каких-то не совсем удачных разработок, либо таких роботов, на которых пока не возникло реального спроса? Может быть, что-то такое, что немного опережает время?

Как я уже сказал, мы, конечно, ориентируемся на заказчика, но при этом занимаемся и фундаментальными исследованиями. Они, на наш взгляд, приобретут актуальность и могут нам пригодиться где-то через 5-10 лет. Возможно, некоторые из этих исследований даже не имеют практической пользы, но они многому нас учат. Могу привести в пример наш проект, связанный с дронами, но не привычными пропеллерными, а крылатыми, похожими на маленькие самолёты. Мы пытались научить эти дроны подниматься вверх на волнах тёплого воздуха — примерно так же, как летают орлы, ловя потоки восходящего воздуха и поднимаясь на них, — для того, чтобы эти дроны могли висеть в воздухе продолжительное время и не терять высоту. И у нас это получилось — дроны действительно ловили волны горячего воздуха, поднимались на большую высоту и оставались в воздухе длительное время, производя мониторинг окружающей среды, после чего перемещались в какую-то другую местность, где тоже пытались ловить волны горячего воздуха, и так по кругу. Это был очень хороший проект, потому что на нём мы очень многому научились в плане теории, в частности в плане машинного обучения. Но, конечно, это очень непрактичный проект по той простой причине, что такая технология пока очень дорогостояща. Может быть, этот проект как раз в некоторой степени опережает своё время и приобретёт практическую актуальность лет через 10.

© Australian Centre for Field Robotics

© Australian Centre for Field Robotics

Разнообразные воздушные дроны позволяют производить всевозможные исследования больших ферм и территорий. К примеру, исследовать степень плодородия почв или составлять карты распространения сорняков.

— Как профессор университета, какой вы видите роль высших учебных заведений в научно-техническом прогрессе, и есть ли среди ваших студентов или аспирантов люди, которые способны развивать это направление в будущем?

20 лет назад мы только начали заниматься робототехникой, и самым сложным тогда было построить хотя бы одного робота, который действительно бы работал. В этом и заключалась роль университета — толкать науку в этом направлении. Сегодня сделать робота не так уж и сложно, они используются повсеместно, и вопросы стоят уже немножко в других плоскостях. Они более серьёзные, чем 20 лет назад, например, как сделать роботов более умными, каковы эффективные алгоритмы взаимодействия между различными роботами, между роботами и людьми. Многие из моих студентов работают в таких компаниях как Google, Apple, Facebook и в компаниях, занимающихся производством как наземных, так и воздушных систем робототехники. Но есть и студенты, готовые продолжать работу в университете и работать над фундаментальными вопросами, связанными с искусственным интеллектом, а также разрабатывать вопросы, связанные с появлением новых материалов и тем, как появление новых материалов влияет на производство роботов, и как это может повысить эффективность робототехники. Я говорю о таких вещах как 3D-печать, новые полимеры, новые виды пластика.

— Над чем вы работаете сейчас? Каких роботов мы можем увидеть в ближайшие 5-10-15 лет, и как, по-вашему, в будущем могут быть организованы сельскохозяйственные территории?

Сейчас я полностью сконцентрирован на проектах в сельском хозяйстве. Во-первых, это интересно мне самому, а во-вторых, это ещё и важная, на мой взгляд, задача — повысить эффективность автоматизации именно в этой отрасли. Конечно, в сельском хозяйстве можно много над чем работать, помимо робототехники, но робототехника — это актуальная сфера именно сегодня, в условиях развития различных современных технологий, поэтому сейчас робототехника в сельском хозяйстве полностью занимает всё моё внимание. Мне кажется, что лет через 15 роботы на фермах станут такой же совершенно обычной вещью, как пылесос в любом доме. Но я думаю, что на крупных сельскохозяйственных предприятиях роботов в большом количестве можно будет увидеть и гораздо раньше — лет через пять это уже определённо точно произойдёт.


Подписаться на новыe материалы можно здесь:  Фейсбук   ВКонтакте


закрыть

Подписывайтесь на нас в Facebook и Вконтакте