Nuestro robot cosecha algodón extendiendo la mano y arrancándolo, como la lengua de un lagarto cazando moscas.

El algodón es uno de los cultivos más valiosos que se cultivan en los EE. UU., con un valor de cosecha de unos 7 mil millones de dólares al año.Se cultiva en una media luna de 17 estados que se extienden de Virginia a California y se utiliza en prácticamente todo tipo de ropa, así como en material médico y artículos para el hogar como tapicería.

El algodón crece dentro de una cápsula dura y fibrosa llamada cápsula.Aproximadamente 100 días después de la siembra, las cápsulas maduran y se abren, revelando miles de fibras blancas y esponjosas en su interior.Cada cápsula contiene de 20 a 40 semillas con fibras adheridas, razón por la cual el fruto de la planta de algodón se llama semilla de algodón.

Recoger algodón manualmente, como todavía se hace en algunos principales países productores, es una tarea meticulosa.Los trabajadores tienen que agacharse para alcanzar las cápsulas y pueden lastimarse las manos. partes duras y secas de las plantas.Para cosechar la semilla de algodón, tienen que agarrarla y torcerla para separarla de la cápsula sin dejar fibra.

A partir de la década de 1930, los productores de algodón de EE. UU.pasó del trabajo manual al cosechadoras grandes y pesadas.Ahora la industria entra en una nueva etapa que promete ser más eficiente y precisa.

soy ingeniero y tengo casi 20 años de experiencia en investigación trabajando en maquinaria agrícola.Mi enfoque actual está en la robótica y la automatización agrícola.Durante mi doctorado.programa en la Universidad Estatal de Mississippi, trabajé con Alex Thomasson, quien dirige el departamento de ingeniería agrícola y biológica y el Instituto de Autonomía Agrícola, para desarrollar un cosechadora de algodón robótica que recoge el algodón con menos daño al producto y al suelo donde crece.

¿Por qué utilizar la robótica?

Los productores de algodón tienen razones económicas, ambientales y agrícolas para querer una mejor opción para la cosecha.Las cosechadoras mecánicas tradicionales pueden medir hasta 14 pies de largo y pesar más de 30 toneladas.Eliminan el algodón de forma eficaz sin dañar las plantas pero también pueden causar problemas.

Un problema es la exposición prolongada a la fibra.No todas las cápsulas de algodón maduran al mismo tiempo;Las primeras cápsulas abiertas en un campo pueden esperar hasta 50 días para ser recogidas, hasta que maduren más cápsulas a su alrededor.

Otro desafío es que las máquinas cosechadoras compactan el suelo a medida que ruedan sobre él.Esto dificulta que el agua y el fertilizante penetren hasta las raíces de las plantas.Y las máquinas cuestan aproximadamente un millón de dólares cada una, pero se utilizan sólo durante dos o tres meses al año.

La robótica es una solución potencial que los agricultores ya están utilizando para otros cultivos, como frutas y verduras.Los robots recolectores utilizan cámaras y sensores para detectar cuándo los cultivos están listos para cosechar y pueden eliminarlos sin dañar la planta.

En el caso del algodón, la robótica ofrece una recolección más específica de las cápsulas que están listas para la cosecha.Produce fibra de algodón de mejor calidad recogiendo el algodón en bruto tan pronto como se abren las cápsulas, sin dejarlo expuesto a la intemperie.El robot apunta a la semilla de algodón y evita tocar otras partes de la planta.

Con la recolección robótica, los productores de algodón no es necesario usar defoliantes quitar las hojas de las plantas antes de la cosecha, lo cual es una práctica común ahora.Y los robots pequeños y ágiles no comprimen el suelo cuando se mueven sobre él, por lo que ayudan a mantener la salud del suelo.

Una “mano para picar” bioinspirada

Nuestro trabajo se centra en diseñar un efector final para la cosecha robótica de algodón.Un efector final es una mano robótica que permite al robot interactuar con otros objetos.La nuestra es una versión de tres dedos diseñada para una recolección de algodón delicada y eficiente.Se inspira en la naturaleza e imita la destreza cazadora de un lagarto.

Cada dedo es una estructura impresa en 3D que contiene una correa móvil con pasadores adheridos.Los alfileres ayudan a la mano a agarrar y tirar de la semilla de algodón.como un lagarto Arrebatar presas con su lengua pegajosa., los tres dedos de nuestro efector final se acercan delicadamente al algodón en bruto.Al contacto, las fibras de algodón se adhieren a los dedos de la máquina, de la misma manera que un insecto se pega a la lengua de un lagarto.

A continuación, la mano se retrae rápidamente, como la lengua del lagarto.El efector final sigue trabajando para "tragar" la semilla de algodón y transfiriéndola fuera de la planta.A medida que la cosechadora recoge y transfiere la semilla de algodón de la planta, el efector final toca partes de la cápsula de algodón con la semilla de algodón restante varias veces para recoger la mayor cantidad posible.

Para recoger algodón de manera eficiente, nuestro robot tiene que hacer tres cosas:detecta las cápsulas que están listas para la cosecha, determina exactamente dónde se encuentran en un espacio tridimensional y recoge el algodón.

El robot utiliza un algoritmo de aprendizaje profundo que hemos entrenado para reconocer cápsulas abiertas en plantas de algodón.Utiliza una cámara de estereovisión para calcular sus coordenadas espaciales 3D, que transfiere al brazo robótico.Un algoritmo de control monitorea cada cápsula de algodón para garantizar que el robot recoja la mayor cantidad de algodón posible.

Pruebas y resultados

Hasta ahora hemos probado la cosechadora de algodón robótica en el laboratorio y en campos de algodon.El sistema de detección encontró un 78% de cápsulas de algodón maduras;el sistema de localización calculó coordenadas 3D para el 70% de las cápsulas detectadas;y el sistema de recolección cosechó con éxito el 83% de estas cápsulas.En total, el robot recogió alrededor del 50% de las cápsulas de algodón que estaban a su alcance.

Nuestra cosechadora recogió algodón a una velocidad de 8,8 segundos por cápsula.Si podemos reducir este tiempo requerido a 0,3 segundos y aumentar la eficiencia del robot para recoger al menos el 90% de las cápsulas de algodón que puede alcanzar, optimizando el sistema y agregando más brazos a un robot, una flota de 50 robots podría cosechar una semilla de algodón. campo tan rápido como una cosechadora mecánica, con un rendimiento comparable.

Para mejorar el rendimiento general del robot, planeamos adoptar mejores algoritmos de inteligencia artificial, mejorar la cámara de nuestro sistema y agregar otro grado de movimiento al brazo robótico (por ejemplo, permitiendo que el efector final gire) para aumentar su destreza.

Vemos un gran potencial para nuestro robot en los principales países productores de algodón, como China, India, Pakistán y Uzbekistán, donde actualmente el algodón se recoge a mano, a menudo por mujeres y niños y a veces en condiciones abusivas.Una forma de hacer que esta tecnología esté disponible para los pequeños agricultores de los países de bajos ingresos sería fabricar robots más pequeños y semiautónomos que requerirían menos sensores.Producir algodón de mayor valor con menos daño a las plantas y al suelo podría mejorar la vida de millones de personas que se ganan la vida cultivando este cultivo mundial.