2017年6月22日

机器人会成为我们的“救世主”吗?技术改变农业的未来

以前只在动画和SF电影中看到的机器人如今在我们的日常生活中正变得越来越熟悉。随着机器人研究在我们所熟悉的领域(例如汽车和消费类电子产品)的发展,我们与机器人的接触正在日益增多。根据NEDO(新能源和工业技术开发组织)的报告,日本机器人产业市场的规模预计将从2015年的1.6万亿日元大幅增加到2020年的2.9万亿日元,到2035年将达到9.7万亿日元。

在这种迅速扩张的背景下,机器人不仅促进技术的发展,更有望解决社会问题。人口变化、因气候变化造成的粮食短缺、劳动力短缺等是全球普遍关注的问题。与日本的出生率下降和人口老龄化相关,洋马深入参与的农业领域也面临类似的挑战。

机器人如何才能真正改变我们的生活?这一次,我们将近距离观看农业机器人。我们与北海道大学研究生院农学研究所的野口伸(Shin Noguchi)教授进行了交谈。在这两次采访的过程中,我们将为您带来有关过去和现在农业机器人研究的大量信息,以及未来的发展计划。

野口伸(Shin Noguchi)
野口教授于1961年出生于北海道的三笠市。他是北海道大学研究生院农学研究所的教授,专门从事农业信息技术和农业机器人工程的研究工作。他还担任跨部门战略创新推进计划(SIP)“下一代农林水产业创新技术”的项目主任,“日本科学理事会”合作委员,“日本农业、生物和环境工程师及科学家学会”的董事会主席。

原型1号:通过收集充气轮胎和发动机等器件的废旧材料制造出了自组装原型机。
农业机器人本土化的开端

野口教授出生于北海道,高中毕业前一直在山口县生活。他在进入北海道大学农学院后返回北海道。主修农业工程,在博士研究期间研究生物质燃料。他于1992年担任大学助教,开始农业机器人领域的研究工作。也正是在这个时候,农业机器人研究的曙光出现了。

— 野口教授,请问是什么促使您开始机器人的研究?

二十五年前,当我开始研究农业机器人时,关于农业人力和劳动力短缺的问题就已经非常突出。在北海道大学,农业直接面临的挑战就在我们面前。在我试图解决这些问题时,我意识到,“也许无人操作的农业机器人会发挥作用?”

最初,研究几乎没有什么进展。Seiken基础技术研究所(现为:纳罗生物技术研究促进机构,以下简称:“NARO”)是唯一一家开展农业自主导引车研究的组织。作为参与研发项目的交流研究员,我成为了该机构的一员。

— 因此,研究工作在25年前就已经开始。那个时候是什么感觉?

1992年前后,我和一些研究生把充气轮胎、钣金和发动机等器件的废旧材料拼凑在一起,制造了第一架无人机原型1号。虽然这架无人机很难运行,但我却根据原型1号收集的各种数据中写了一篇论文。第一台成熟的农业机器人于1995年推出。这是在采购拖拉机型2号之后 / p>

早在1987-8年,京都大学就开始研发收割机机器人,成为这项活动的中心。当时,农业机器人是收获西红柿和草莓等产品的主流机械,但北海道的农业主要是以大规模的户外种植为主。因此,我们把目光瞄准了无人操作系统。

北海道大学的试验机1号。有一种手工制作的感觉。

— 从您开始研究的那一刻起,您是否确信这项技术有一天会变得至关重要?

是的,我确信。研发最困难的部分是无人机的位置测量和识别。当时,GPS并不十分精确,而且价格昂贵。因此,我们不得不开发我们自己的位置测量系统。然而,在1997年,我参加了美国伊利诺伊大学的测试,我看到使用高精度的GPS在自然环境中自动驾驶的情景,我想,“这太棒了。”当然,自主导引所需的关键技术的发展是必不可少的,如GPS和GIS(全球信息系统)等。而现实情况是,我们的研究取决于诸多不同领域的进步。

— 随着农业人口减少,每个农民管理的农田面积随之加大。无人机发挥的作用正在增加。

的确如此。稻农的规模目前人均约为12公顷,每个双人家庭20公顷。然而,这一数字将增加到每个家庭约30-40公顷。鉴于专业客户的需求和经济效率两方面的因素,向大规模农业的转型进程势在必行,农业机器人将成为提高工作效率和盈利能力的必要条件。

— 无人驾驶拖拉机的验证测试也在进行中,并将最终进入商业化阶段。

与洋马一同研发的无人驾驶拖拉机是一台由PC控制的自主导引系统,配有GPS接收装置。拖拉机沿着由平板电脑等预编程的路线行进,从耕田、播种到收割的所有工作均可进行无人操作。

然而,要将其转化成全无人操控的产品仍然存在许多障碍。首先,针对实际应用情况,我们实现了伴随型有人和无人操控的机械式系统。简而言之,如果出现问题,可以由人进行控制;因此,实际应用将变得可能。然而,即便如此,您也可以使用两台机器共同作业,切实扩大作业区域,充分提高生产力。

— 我们期待市场的回应。目前是否有关注的问题?

价格和安全。从成本方面来看,20年前GPS需要2000万日元,如今价格已经下降。到2020年,预计其价格将会降至10万日元以下。随着技术的进步,更多人将会轻松拥有这种产品。

然而,安全则不是一个可以通过技术简单解决的问题。只要是人造的产品,就无法实现零风险。无论将安全提高到何种程度,不加限制的无人操控的农田作业永远都不能说是100%的安全。例如,在高大作物阴影下玩耍的孩子就很难通过图像处理加以识别。如果我们试图单靠技术来解决安全问题,则成本太高。在农林水产省起草的“农业机械自主引导安全指南”中,规定必须有人通过视觉监视作业区域。伴随型是一种解决方案。

人口老龄化和工人短缺的限制方法
农业机器人提高了生产力,解决了传统技能的继承问题

根据农林水产省的数据,人口老龄化已成为一个严重的问题,65%的日本农业工人的平均年龄为66.8岁。此外,农林水产省还设定了实现商业化的目标,到2018年实现农田农业设备的自主引导,到2020年实现无人远程监控系统。行业-政府-学术界的联合技术发展正在推进。

— 关于农业机器人的未来,您在期待何种类型的景象?

政府还制定了到2020年实现无人远程监控系统的目标。然而,以前的指南规定“农业机器人不得在道路上行驶”。因此,在田地分割的地方,很难发挥它们的效率。我认为必须审查交通法。

— 的确,看来我们的工作方式和社会运作方式都必须加以改变。除了用于替代劳动力之外,您对农业机器人的价值有何看法?

它们的基本作用就是取代劳动力,用以补充劳动力的短缺。然而,人们也同样期待它们能在生产现场的信息化方面发挥次要的作用。例如,作物生产现场的数字化。直到今天,虽然农民仍然采用手写编制报告,必须从事行政管理工作,但这些任务将会完全变为数字化。这些工作将取决于每个人的经验和直觉。

因此,就拥有技能的老年农民而言,其才智的消失远比劳动力的短缺更加严重。如果这种才智在未被传承的情况下丧失,则单位面积的效率和产量将会随着这些人消失而下降。我们的最终结果可能就是低效率的负循环。
十年之后,65岁以上的人将年届75岁。因此我们认为,收集和管理个体农业工人拥有的非言语化“隐性知识”并将其转化为“显性知识”的任务至关重要。

— 什么类型的机器人将特别有助于生产现场的信息化?

空中无人机的使用就是一个例子。通过使用无人机或直升机,我们将能够通过空中感应和拍摄现场照片来识别不良的生长区域和产量变化等。这将使我们能够根据这些数据精确地控制农田。这也是洋马正在从事的工作。

然而我们看到,机器人和大数据之间的兼容性非常高。当然,通过这些任务所获得的耕地和工作数据将被农民使用。然而,我们相信无人操控作业机器人的下一个阶段将是“懂得耕作的机器人”。机器人将通过数据同化来发展自己,这将在工作中得到体现。

— 更具体地说,我们觉得农业机器人将随人工智能一同发展。

真的吗?此外,有兴趣引进这些新技术的年轻的新农业工人可能会增加。我和我的学生们每天都会对此有所感触。

大约20年前,农民们会告诉我:“如果将无人机应用于实际,那么我们价值提升的工作就会消失。”然而,让机器人从事它们可以做的工作,可使人类继续那些只能由人类完成的工作。农民可以把时间花在创造提升价值的工作上,比如“种植什么和销往何处”,以及“加工什么”等等,从这个意义上说,我相信机器人同样也会大有用途。

农业机器人将在全球发展
介绍我们未来将会看到的技术

— 农业重点问题因国而异。您能否从野口教授的角度向我们展示已经应用于实际或正在研究的最新机器人,包括国外的技术?

研究工作正在进行,主要集中在美洲和欧洲国家的大规模农业家庭,当然也包括中国、韩国和亚洲国家。在劳动力短缺方面,西方的情况并不像日本那样严重。然而,在所有的国家,农业劳动力正在减少。

主要的问题是粮食短缺。联合国粮农组织(FAO)估计,到2050年全球总人口将达到96亿。为了供给这一庞大的人口,我们必须要将我们的粮食产量增加一倍。按照目前的速度,我们的食物一定会消耗殆尽。

另一个重点问题是气候变化引起的异常天气的增加,例如,即使在降雨量低的地区也会发生暴雨。低降水量是传统欧洲农业模式的前提。当下雨时,大型拖拉机会陷入泥水中而无法使用。因此,在有些情况下无法完成季节性工作,并由此导致收成的下降。另一方面,也不可能雇用更多的人使用小型拖拉机来完成这一工作。因此,无人拖拉机将会吸引人们更多的关注。

— 节省劳力和简化流程似乎是全球普遍关注的问题。那么,让我们看看那些引起野口教授注意的农业机器人。

协作式机器人

目前,协作式机器人,如我们实验室正在开发的“多机器人”,能够以任何数量组合协作运行。采用多架无人机协作而非扩大单架无人机是一个新的思路。能够以任何数量组合运行。这项技术比市场上推出的伴随型技术略胜一筹。

注:北海道大学协作式机器人的演示报道。敬请参阅第2部分!

自行式草莓收获机器人

由宇都宫大学和NARO开发的草莓收获机器人是一项基于相对颜色识别和准确确认草莓成熟度及其茎角的技术,能够在不接触果实的情况下进行收获。人手触碰会损坏草莓。因此,该技术还具有不触碰草莓从而不会导致产品价格下降的优点。在节省劳力和提高生产率方面,夜晚运行机器人可使人们在第二天早上检查未收获的水果。

动力辅助服

在农业生产中,人们是在不稳定的土壤,而非在坚实的表面上进行作业的。因此,使用人形机器人会变得极其困难。虽然人形机器人不具备可行性,但动力辅助服近来已经盛行于世。这些机器人配有电动马达,可以轻松进行起重作业等,同时还具有独特的外观。除了搬运水果和沉重作物外,人们还可期待将其应用于护理领域。商业化已经开始。

自主筛选式除草机

引自英国哈珀亚当斯大学Simon Blackmore教授的讲座。无人机器人可以在清除杂草的同时避开作物。尽管垄间的除草相对简单,但作物间的除草却非常困难。可以对机器进行编程,使用摄像头识别杂草。使用激光除草的机器人也在研究和开发之中。杂草会在生长时被烧毁。最终,可能不再需要使用除草剂。

此次采访由农业机器人领域的首席研究员野口伸教授为您提供。根据野口教授参与的这项研究,我们可以再次确定这项研究给农业和社会带来的实际需要和价值。

我们将就此进行持续报道。下一次,我们将从野口教授进行验证试验的现场进行报道。此外,我们还将讨论由农业机器人实现的农业未来。

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