Notre robot récolte le coton en le tendant et en le plumant, comme la langue d'un lézard attrape les mouches

Le coton est l'une des cultures les plus précieuses cultivées aux États-Unis, avec une valeur de récolte de quelque 7 milliards de dollars par an.Il est cultivé dans un croissant de 17 États s'étendant de la Virginie à la Californie et est utilisé dans pratiquement tous les types de vêtements, ainsi que dans les fournitures médicales et les articles pour la maison tels que les tissus d'ameublement.

Le coton pousse à l’intérieur d’une enveloppe dure et fibreuse appelée capsule.Environ 100 jours après la plantation, les capsules mûrissent et s'ouvrent, révélant des milliers de fibres blanches duveteuses à l'intérieur.Chaque capsule contient 20 à 40 graines auxquelles sont attachées des fibres, c’est pourquoi le fruit du cotonnier est appelé coton-graine.

Cueillir le coton manuellement, comme cela se fait encore dans certains grands pays producteurs, est une tâche méticuleuse.Les travailleurs doivent se pencher pour atteindre les capsules et peuvent se blesser les mains. parties dures et sèches des plantes.Pour récolter le coton-graine, ils doivent le saisir et le tordre pour le séparer de la capsule sans laisser de fibres.

À partir des années 1930, les producteurs de coton des États-Unispassé du travail manuel à grosses et lourdes moissonneuses.L’industrie entre désormais dans une nouvelle étape qui s’annonce plus efficace et plus précise.

Je suis ingénieur et j'ai près de 20 ans d'expérience en recherche travailler sur des machines agricoles.Je me concentre actuellement sur la robotique agricole et l'automatisation.Pendant mon doctorat.programme à l'Université d'État du Mississippi, j'ai travaillé avec Alex Thomasson, qui dirige le département de génie agricole et biologique et le Institut de l'autonomie agricole, pour développer un récolteuse de coton robotisée qui cueille le coton en endommageant moins le produit et le sol où il pousse.

Pourquoi utiliser la robotique ?

Les producteurs de coton ont des raisons économiques, environnementales et agricoles de vouloir une meilleure option de récolte.Les abatteuses mécaniques traditionnelles peuvent mesurer jusqu'à 14 pieds de long et peser plus de 30 tonnes.Ils éliminent efficacement le coton sans endommager les plantes mais peuvent aussi causer des problèmes.

L’un des problèmes est l’exposition prolongée aux fibres.Les capsules de coton ne mûrissent pas toutes en même temps ;les premières capsules ouvertes dans un champ peuvent attendre jusqu'à 50 jours pour être cueillies, jusqu'à ce que d'autres capsules autour d'elles mûrissent.

Un autre défi est que les machines à récolter compactent le sol lorsqu'elles roulent dessus.Cela rend plus difficile la pénétration de l’eau et des engrais jusqu’aux racines des plantes.Et les machines coûtent environ 1 million de dollars chacune, mais ne sont utilisées que deux à trois mois par an.

La robotique est une solution potentielle que les agriculteurs utilisent déjà pour d'autres cultures, comme fruits et légumes.Les robots de récolte utilisent des caméras et des capteurs pour détecter quand les cultures sont prêtes à être cueillies et peuvent les retirer sans endommager la plante.

Pour le coton, la robotique permet une cueillette plus ciblée des capsules prêtes à être récoltées.Il produit une fibre de coton de meilleure qualité en cueillant le coton-graine dès l'ouverture des capsules, sans le laisser exposé aux intempéries.Le robot cible le coton-graine et évite de toucher les autres parties de la plante.

Avec la cueillette robotisée, les producteurs de coton pas besoin d'utiliser de défoliants pour enlever les feuilles des plantes avant la récolte, ce qui est une pratique courante à l'heure actuelle.Et les petits robots agiles ne compriment pas le sol lorsqu’ils se déplacent dessus, ils contribuent donc à maintenir la santé du sol.

Une « main de cueillette » bioinspirée

Notre travail se concentre sur la conception un effecteur final pour la récolte robotisée du coton.Un effecteur final est une main robotique qui permet au robot d'interagir avec d'autres objets.La nôtre est une version à trois doigts conçue pour une cueillette délicate et efficace du coton.Il s'inspire de la nature, imitant les prouesses de chasse d'un lézard.

Chaque doigt est une structure imprimée en 3D qui contient une ceinture mobile à laquelle sont attachées des broches.Les épingles aident la main à saisir et à tirer le coton-graine.Comme un lézard attraper une proie avec sa langue collante, les trois doigts de notre effecteur final s’approchent délicatement du coton graine.Au contact, les fibres de coton collent aux doigts de la machine, un peu comme un insecte se colle à la langue d’un lézard.

Ensuite, la main se rétracte rapidement, comme la langue du lézard.L’effecteur final continue de travailler pour « avaler » le coton-graine et le transférer hors de la plante.Au fur et à mesure que la récolteuse cueille et transfère le coton-graine hors de la plante, l'effecteur final touche plusieurs fois des parties de la capsule de coton avec le coton-graine restant pour en récolter autant que possible.

Pour récolter le coton efficacement, notre robot doit faire trois choses :détecter les capsules prêtes à être récoltées, déterminer exactement leur emplacement dans un espace tridimensionnel et récolter le coton.

Le robot utilise un algorithme d'apprentissage en profondeur que nous avons entraîné pour reconnaître les capsules ouvertes sur les plants de coton.Il utilise une caméra de stéréovision pour calculer leurs coordonnées spatiales 3D, qu'il transfère au bras robotique.Un algorithme de contrôle surveille chaque capsule de coton pour garantir que le robot cueille autant de coton-graine que possible.

Tests et résultats

Jusqu'à présent, nous avons testé la récolteuse de coton robotisée en le laboratoire et dans champs de coton.Le système de détection a trouvé 78 % de capsules de coton mûres ;le système de localisation a calculé les coordonnées 3D de 70 % des capsules détectées ;et le système de cueillette a réussi à récolter 83 % de ces capsules.Au total, le robot a ramassé environ 50 % des capsules de coton qui se trouvaient à sa portée.

Notre récolteuse a récolté le coton à une vitesse de 8,8 secondes par capsule.Si nous parvenons à réduire ce temps requis à 0,3 seconde et à augmenter l'efficacité du robot pour ramasser au moins 90 % des capsules de coton qu'il peut atteindre, en optimisant le système et en ajoutant plus de bras sur un robot, une flotte de 50 robots pourrait récolter un coton. champ aussi rapidement qu'une récolteuse mécanique, avec un rendement comparable.

Pour améliorer les performances globales du robot, nous prévoyons d’adopter de meilleurs algorithmes d’intelligence artificielle, d’améliorer la caméra de notre système et d’ajouter un autre degré de mouvement au bras robotique – par exemple, permettre à l’effecteur final de tourner – pour augmenter sa dextérité.

Nous voyons un grand potentiel pour notre robot dans les principaux pays producteurs de coton comme la Chine, l'Inde, le Pakistan et l'Ouzbékistan, où le coton est actuellement récolté à la main, souvent par les femmes et les enfants et parfois dans des conditions abusives.Une façon de rendre cette technologie accessible aux petits agriculteurs des pays à faible revenu serait de fabriquer des robots plus petits et semi-autonomes qui nécessiteraient moins de capteurs.Produire du coton de plus grande valeur en causant moins de dommages aux plantes et aux sols pourrait améliorer la vie de millions de personnes qui gagnent leur vie en cultivant cette culture mondiale.