我们的机器人通过伸出手来采摘棉花来收获棉花，就像蜥蜴的舌头抓住苍蝇一样

棉花是美国种植的最有价值的农作物之一，收获价值为 每年约70亿美元. 。它在 17 个州的新月形地区种植 从弗吉尼亚州到加利福尼亚州 并用于 几乎所有类型的服装, 以及医疗用品和室内装潢等家居用品。

棉花生长在称为棉铃的坚硬纤维质外壳内。种植后约 100 天，棉铃成熟并裂开，露出里面数千根蓬松的白色纤维。每个棉铃含有 20 至 40 颗种子，种子上附着纤维，这就是为什么棉花植物的果实被称为籽棉。

手工采摘棉花，有些地方仍在这样做 主要生产国, ，是一项细致的工作。工人们必须弯腰才能够到棉桃，而且可能会伤到手。 植物坚硬、干燥的部分. 。为了收获籽棉，他们必须抓住并扭转它，将其与棉铃分开，而不留下纤维。

从 20 世纪 30 年代开始，美国棉农从体力劳动转变为 大型、重型收割机. 。现在，该行业正在进入一个有望更加高效和精确的新阶段。

我是一名工程师并拥有 近20年的研究经验 从事农业机械工作。我目前的重点是农业机器人和自动化。在我攻读博士学位期间我在密西西比州立大学的项目中工作过 亚历克斯托马森, ，谁领导 农业与生物工程系 和 农业自治研究所, ，开发一个 机器人棉花收割机 采摘棉花时对产品及其生长土壤的损害较小。

为什么要使用机器人技术？

棉农出于经济、环境和农业原因希望有更好的收获选择。传统的机械收割机最长可达 14 英尺，重量超过 30 吨。它们可以有效地去除棉花，不会损坏植物，但也会引起问题。

问题之一是纤维暴露时间过长。棉铃并非同时成熟；田地中第一个开放的棉桃可能需要等待长达 50 天的时间才能采摘，直到周围更多的棉桃成熟。

另一个挑战是收割机在翻滚时会压实土壤。这使得水和肥料更难渗透到植物根部。每台机器的成本约为 100 万美元，但每年仅使用两到三个月。

机器人技术是农民已经在其他作物上使用的潜在解决方案，例如 水果和蔬菜. 。收割机器人使用摄像头和传感器来检测农作物何时可以采摘，并可以在不损坏植物的情况下将它们移除。

对于棉花，机器人技术可以更有针对性地采摘准备收获的棉铃。它通过在棉桃开放后立即采摘籽棉来生产质量更好的棉纤维，而不将其暴露在天气下。机器人以籽棉为目标，避免接触植物的其他部分。

有了机器人采摘，棉农 不需要使用脱叶剂 在收获前去除植物的叶子，这是现在的常见做法。小型灵活的机器人在土壤上移动时不会压缩土壤，因此有助于保持土壤健康。

受生物启发的“采摘手”

我们的工作重点是设计 用于机器人采棉的末端执行器. 。末端执行器是一个机器人手，使机器人能够与其他物体交互。我们的产品是三指版本，专为精致高效的棉花采摘而设计。它从大自然中汲取灵感，模仿蜥蜴的狩猎能力。

每个手指都是 3D 打印的结构，包含一条带有销钉的移动带。这些别针帮助手抓住并拉动籽棉。像蜥蜴一样 用粘性的舌头抓住猎物, ，我们的末端执行器的三个手指巧妙地接近籽棉。一旦接触，棉纤维就会粘在机器的手指上，就像昆虫粘在蜥蜴的舌头上一样。

接下来，手像蜥蜴的舌头一样快速缩回。末端执行器不断地“吞下”籽棉，将其从植物中转移出来。当收割机采摘籽棉并将其转移出工厂时，末端执行器多次接触棉铃上剩余籽棉的部分，以尽可能多地采摘。

为了高效采摘棉花，我们的机器人必须做三件事：检测准备收获的棉铃，确定它们在三维空间中的准确位置并采摘棉花。

该机器人使用我们经过训练的深度学习算法来识别棉花植株上开放的棉铃。它使用立体视觉相机来计算其 3D 空间坐标，并将其传输到机械臂。控制算法监控每个棉铃，以确保机器人采摘尽可能多的籽棉。

测试和结果

到目前为止，我们已经在以下国家测试了机器人采棉机： 实验室 并在 棉田. 。检测系统发现78%的棉铃成熟；定位系统计算出 70% 检测到的棉铃的 3D 坐标；采摘系统成功收获了 83% 的棉桃。总体而言，机器人采摘了其范围内约 50% 的棉铃。

我们的收割机以每个棉铃 8.8 秒的速度采摘棉花。如果我们能够将所需时间缩短至 0.3 秒，并提高机器人的效率，以采摘至少 90% 的棉铃，那么通过优化系统并在机器人上添加更多手臂，一支由 50 台机器人组成的车队就可以采摘棉花与机械收割机一样快，且产量相当。

为了提高机器人的整体性能，我们计划采用更好的人工智能算法，改进系统的摄像头，并为机械臂增加另一个程度的运动——例如，使末端执行器能够旋转——以提高其灵活性。

我们看到了我们的机器人在中国、印度、巴基斯坦和乌兹别克斯坦等主要棉花生产国的巨大潜力，这些国家的棉花目前通常是手工采摘的 由妇女和儿童 有时 在虐待条件下. 。让低收入国家的小农户能够使用这项技术的一种方法是制造需要更少传感器的小型半自主机器人。生产更高价值的棉花，同时减少对植物和土壤的损害，可以改善数百万靠种植这种全球作物为生的人的生活。