يحصد الروبوت الخاص بنا القطن عن طريق مد يده وقطفه، مثلما يخطف الذباب لسان السحلية.

يعد القطن أحد أهم المحاصيل المزروعة في الولايات المتحدة، حيث تبلغ قيمة حصاده نحو 7 مليارات دولار سنويا.ويزرع عبر هلال يمتد على 17 ولاية من فرجينيا إلى كاليفورنيا ويستخدم في تقريبا كل نوع من الملابس, وكذلك في المستلزمات الطبية والسلع المنزلية مثل المفروشات.

ينمو القطن داخل غلاف ليفي صلب يُسمى اللوزة.بعد حوالي 100 يوم من الزراعة، تنضج اللوزات وتنفتح، لتكشف عن آلاف الألياف البيضاء الرقيقة بداخلها.تحتوي كل اللوزة على 20 إلى 40 بذرة ملتصقة بها ألياف، ولهذا تسمى ثمرة نبات القطن بذرة القطن.

قطف القطن يدوياً، كما لا يزال يتم في البعض الدول المنتجة الكبرى, ، هي مهمة دقيقة.يتعين على العمال الانحناء للوصول إلى اللوز ويمكن أن يؤذيوا أيديهم الأجزاء الصلبة والجافة من النباتات.لحصاد بذور القطن، يتعين عليهم الإمساك بها ولفها لفصلها عن اللوز دون ترك الألياف خلفها.

ابتداءً من ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ مزارعو القطن في الولايات المتحدة في العمل.تحول من العمل اليدوي إلى حصادات كبيرة وثقيلة.تدخل الصناعة الآن مرحلة جديدة تعد بأن تكون أكثر كفاءة ودقة.

انا مهندس ولدي ما يقرب من 20 عاما من الخبرة البحثية العمل على الآلات الزراعية.ينصب تركيزي الحالي على الروبوتات الزراعية والأتمتة.خلال الدكتوراه.برنامج في جامعة ولاية ميسيسيبي، عملت مع اليكس توماسون, ، الذي يرأس قسم الهندسة الزراعية والبيولوجية و معهد الحكم الذاتي الزراعي, ، لتطوير أ حصادة القطن الروبوتية الذي يقطف القطن بأضرار أقل للمنتج والتربة التي ينمو فيها.

لماذا استخدام الروبوتات؟

لدى مزارعي القطن أسباب اقتصادية وبيئية وزراعية تجعلهم يريدون خيارًا أفضل للحصاد.يمكن أن يصل طول الحصادات الميكانيكية التقليدية إلى 14 قدمًا وتزن أكثر من 30 طنًا.إنها تزيل القطن بشكل فعال دون الإضرار بالنباتات ولكنها قد تسبب مشاكل أيضًا.

إحدى المشكلات هي التعرض للألياف لفترة طويلة.لا تنضج كرات القطن كلها في نفس الوقت؛قد تنتظر أول لوزات مفتوحة في الحقل ما يصل إلى 50 يومًا حتى يتم قطفها، حتى تنضج المزيد من لوزات اللوز حولها.

التحدي الآخر هو أن آلات الحصاد تقوم بضغط التربة أثناء تدحرجها.وهذا يجعل من الصعب على الماء والأسمدة أن تخترق جذور النباتات.وتبلغ تكلفة الآلات حوالي مليون دولار أمريكي للقطعة الواحدة، ولكنها تستخدم لمدة شهرين إلى ثلاثة أشهر فقط كل عام.

الروبوتات هي حل محتمل يستخدمه المزارعون بالفعل لمحاصيل أخرى، مثل الفواكه والخضروات.تستخدم روبوتات الحصاد الكاميرات وأجهزة الاستشعار لاكتشاف متى تكون المحاصيل جاهزة للقطف ويمكن إزالتها دون الإضرار بالنبات.

بالنسبة للقطن، توفر الروبوتات عملية قطف أكثر استهدافًا لللوزات الجاهزة للحصاد.وتنتج ألياف قطنية ذات جودة أفضل عن طريق قطف بذور القطن بمجرد فتح اللوز، دون تركها معرضة للطقس.يستهدف الروبوت بذور القطن ويتجنب لمس الأجزاء الأخرى من النبات.

مع قطف الروبوتية، مزارعي القطن لا تحتاج إلى استخدام مزيلات الأوراق لإزالة الأوراق من النباتات قبل الحصاد، وهي ممارسة شائعة الآن.ولا تقوم الروبوتات الصغيرة والذكية بضغط التربة أثناء تحركها فوقها، لذا فهي تساعد في الحفاظ على صحة التربة.

"يد الالتقاط" مستوحاة بيولوجيًا

يركز عملنا على التصميم المؤثر النهائي لحصاد القطن الآلي.المؤثر النهائي هو يد آلية تمكن الروبوت من التفاعل مع الأشياء الأخرى.إن منتجنا عبارة عن نسخة ثلاثية الأصابع مصممة لقطف القطن الدقيق والفعال.إنه مستوحى من الطبيعة، ويحاكي براعة الصيد لدى السحلية.

كل إصبع عبارة عن هيكل مطبوع ثلاثي الأبعاد يحتوي على حزام متحرك متصل به دبابيس.تساعد الدبابيس اليد على الإمساك ببذور القطن وسحبها.مثل السحلية ينتزع الفريسة بلسانه اللزج, ، تقترب أصابع المؤثر النهائي الثلاثة من قطن البذور بدقة.عند ملامستها، تلتصق ألياف القطن بأصابع الآلة، مثلما تلتصق الحشرة بلسان السحلية.

بعد ذلك، تتراجع اليد بسرعة، مثل لسان السحلية.ويستمر المؤثر النهائي في العمل على "ابتلاع" بذور القطن، ونقلها إلى خارج النبات.عندما تقوم آلة الحصاد بانتقاء بذور القطن ونقلها من النبات، يقوم المؤثر النهائي بلمس أجزاء من قطن البذور مع قطن البذور المتبقي عدة مرات لالتقاط أكبر قدر ممكن.

لقطف القطن بكفاءة، يجب على الروبوت الخاص بنا القيام بثلاثة أشياء:اكتشاف اللوزات الجاهزة للحصاد، وتحديد موقعها بالضبط في مساحة ثلاثية الأبعاد واختيار القطن.

يستخدم الروبوت خوارزمية للتعلم العميق قمنا بتدريبها للتعرف على اللوز المفتوح في نباتات القطن.ويستخدم كاميرا الرؤية المجسمة لحساب الإحداثيات المكانية ثلاثية الأبعاد، والتي ينقلها إلى الذراع الآلية.وتقوم خوارزمية التحكم بمراقبة كل لوز قطن للتأكد من أن الروبوت ينتقي أكبر قدر ممكن من بذور القطن.

الاختبار والنتائج

لقد اختبرنا حتى الآن حصادة القطن الآلية المختبر وفي حقول القطن.عثر نظام الكشف على 78% من كرات القطن الناضجة؛قام نظام التعريب بحساب الإحداثيات ثلاثية الأبعاد لـ 70% من اللوز المكتشف؛وقد نجح نظام القطف في حصاد 83% من هذه اللوزيات.بشكل عام، قام الروبوت بالتقاط حوالي 50% من كرات القطن التي كانت في متناول يده.

قام حصادنا بقطف القطن بسرعة 8.8 ثانية لللوز الواحد.إذا تمكنا من تقليل هذا الوقت المطلوب إلى 0.3 ثانية وزيادة كفاءة الروبوت لالتقاط ما لا يقل عن 90% من كرات القطن التي يمكنه الوصول إليها، من خلال تحسين النظام وإضافة المزيد من الأذرع للروبوت، يمكن لأسطول مكون من 50 روبوتًا حصاد القطن الحقل بنفس سرعة الحصاد الميكانيكي، مع إنتاجية مماثلة.

ولتحسين الأداء الإجمالي للروبوت، نخطط لاعتماد خوارزميات ذكاء اصطناعي أفضل، وتحسين كاميرا نظامنا وإضافة درجة أخرى من الحركة إلى الذراع الروبوتية ــ على سبيل المثال، تمكين المستجيب النهائي من الدوران ــ لزيادة براعته.

نحن نرى إمكانات كبيرة للروبوت الخاص بنا في الدول الكبرى المنتجة للقطن مثل الصين والهند وباكستان وأوزبكستان، حيث يتم قطف القطن يدويًا حاليًا، غالبًا من قبل النساء والأطفال وأحيانا في ظل ظروف مسيئة.تتمثل إحدى طرق إتاحة هذه التكنولوجيا لصغار المزارعين في البلدان المنخفضة الدخل في تصنيع روبوتات أصغر حجمًا وشبه مستقلة تتطلب عددًا أقل من أجهزة الاستشعار.إن إنتاج قطن عالي القيمة مع ضرر أقل للنباتات والتربة يمكن أن يحسن حياة ملايين الأشخاص الذين يكسبون رزقهم من زراعة هذا المحصول العالمي.