Il nostro robot raccoglie il cotone allungandolo e strappandolo, come la lingua di una lucertola che cattura le mosche

Il cotone è una delle colture più preziose coltivate negli Stati Uniti, con un valore del raccolto di circa 7 miliardi di dollari all’anno.Viene coltivato attraverso una mezzaluna che si estende in 17 stati dalla Virginia alla California ed è utilizzato in praticamente ogni tipo di abbigliamento, così come nelle forniture mediche e negli articoli per la casa come la tappezzeria.

Il cotone cresce all'interno di un involucro duro e fibroso chiamato capsula.Circa 100 giorni dopo la semina, le capsule maturano e si aprono, rivelando al loro interno migliaia di soffici fibre bianche.Ogni capsula contiene da 20 a 40 semi con fibre attaccate, motivo per cui il frutto della pianta del cotone è chiamato seme di cotone.

Raccogliere il cotone manualmente, come si fa ancora in alcuni principali paesi produttori, è un compito meticoloso.I lavoratori devono piegarsi per raggiungere le capsule e possono ferirsi le mani parti dure e secche delle piante.Per raccogliere il seme di cotone, devono afferrarlo e torcerlo per separarlo dalla capsula senza lasciare fibre.

A partire dagli anni ’30, i coltivatori di cotone negli Stati Unitipassato dal lavoro manuale al mietitrici grandi e pesanti.Ora l’industria sta entrando in una nuova fase che promette di essere più efficiente e precisa.

Sono un ingegnere e ho quasi 20 anni di esperienza nella ricerca lavorare su macchine agricole.Attualmente mi occupo di robotica e automazione agricola.Durante il mio dottorato di ricercaprogramma presso la Mississippi State University, con cui ho lavorato Alex Thomasson, che dirige il dipartimento di ingegneria agraria e biologica e il Istituto per l'Autonomia Agraria, per sviluppare a raccoglitrice robotizzata di cotone che raccoglie il cotone danneggiando meno il prodotto e il terreno dove cresce.

Perché usare la robotica?

I coltivatori di cotone hanno ragioni economiche, ambientali e agricole per desiderare un’opzione migliore per la raccolta.Le raccoglitrici meccaniche tradizionali possono essere lunghe fino a 14 piedi e pesare più di 30 tonnellate.Rimuovono efficacemente il cotone senza danneggiare le piante ma possono anche causare problemi.

Un problema è l’esposizione prolungata alle fibre.Le capsule di cotone non maturano tutte nello stesso tempo;le prime capsule aperte in un campo possono attendere fino a 50 giorni per essere raccolte, finché non maturano altre capsule intorno a loro.

Un’altra sfida è che le macchine da raccolta compattano il terreno mentre vi passano sopra.Ciò rende più difficile la penetrazione dell'acqua e del fertilizzante fino alle radici delle piante.E le macchine costano circa 1 milione di dollari l’una, ma vengono utilizzate solo per due o tre mesi all’anno.

La robotica è una potenziale soluzione che gli agricoltori stanno già utilizzando per altre colture, come ad esempio frutta e verdura.I robot di raccolta utilizzano telecamere e sensori per rilevare quando i raccolti sono pronti per la raccolta e possono rimuoverli senza danneggiare la pianta.

Per il cotone, la robotica offre una raccolta più mirata delle capsule pronte per la raccolta.Produce fibra di cotone di migliore qualità raccogliendo il seme di cotone non appena le capsule si aprono, senza lasciarlo esposto alle intemperie.Il robot prende di mira il seme di cotone ed evita di toccare altre parti della pianta.

Con la raccolta robotizzata, i coltivatori di cotone non è necessario utilizzare defolianti rimuovere le foglie dalle piante prima della raccolta, che ora è una pratica comune.E i robot piccoli e agili non comprimono il terreno mentre si muovono su di esso, quindi aiutano a mantenerlo sano.

Una “mano che raccoglie” ispirata alla bioispirazione

Il nostro lavoro si concentra sulla progettazione un effettore finale per la raccolta robotizzata del cotone.Un effettore finale è una mano robotica che consente al robot di interagire con altri oggetti.La nostra è una versione a tre dita progettata per una raccolta delicata ed efficiente del cotone.Trae ispirazione dalla natura, imitando l'abilità di caccia di una lucertola.

Ogni dito è una struttura stampata in 3D che contiene una cintura mobile a cui sono fissati dei perni.Gli spilli aiutano la mano ad afferrare e tirare dentro il seme di cotone.Come una lucertola afferra la preda con la lingua appiccicosa, le tre dita del nostro effettore finale si avvicinano delicatamente al seme di cotone.Al contatto, le fibre di cotone si attaccano alle dita della macchina, proprio come un insetto si attacca alla lingua di una lucertola.

Successivamente, la mano si ritrae rapidamente, come la lingua della lucertola.L'effettore finale continua a lavorare per "inghiottire" il seme di cotone, trasferendolo fuori dalla pianta.Mentre la mietitrice raccoglie e trasferisce i semi di cotone fuori dalla pianta, l'effettore finale tocca più volte le parti della capsula di cotone con i semi di cotone rimanenti per raccoglierne quanto più possibile.

Per raccogliere il cotone in modo efficiente, il nostro robot deve fare tre cose:rileva le capsule pronte per il raccolto, determina esattamente dove si trovano nello spazio tridimensionale e raccogli il cotone.

Il robot utilizza un algoritmo di deep learning che abbiamo addestrato a riconoscere le capsule aperte sulle piante di cotone.Utilizza una telecamera stereovisiva per calcolare le coordinate spaziali 3D, che trasferisce al braccio robotico.Un algoritmo di controllo monitora ogni capsula di cotone per garantire che il robot raccolga la maggior quantità possibile di semi di cotone.

Test e risultati

Finora abbiamo testato la raccoglitrice robotizzata di cotone il laboratorio e dentro campi di cotone.Il sistema di rilevamento ha rilevato il 78% dei batuffoli di cotone maturi;il sistema di localizzazione ha calcolato le coordinate 3D per il 70% delle capsule rilevate;e il sistema di raccolta ha raccolto con successo l'83% di queste capsule.Nel complesso, il robot ha raccolto circa il 50% dei batuffoli di cotone che erano alla sua portata.

La nostra mietitrice ha raccolto il cotone a una velocità di 8,8 secondi per capsula.Se potessimo ridurre questo tempo richiesto a 0,3 secondi e aumentare l'efficienza del robot per raccogliere almeno il 90% delle capsule di cotone che può raggiungere, ottimizzando il sistema e aggiungendo più bracci al robot, una flotta di 50 robot potrebbe raccogliere un cotone campo con la stessa rapidità di una mietitrice meccanica, con una resa comparabile.

Per migliorare le prestazioni complessive del robot, prevediamo di adottare migliori algoritmi di intelligenza artificiale, migliorare la telecamera del nostro sistema e aggiungere un altro grado di movimento al braccio robotico – ad esempio, consentendo all’effettore finale di ruotare – per aumentarne la destrezza.

Vediamo un grande potenziale per il nostro robot nei principali paesi produttori di cotone come Cina, India, Pakistan e Uzbekistan, dove il cotone viene attualmente raccolto a mano, spesso da donne e bambini e talvolta in condizioni abusive.Un modo per rendere questa tecnologia disponibile per i piccoli agricoltori nei paesi a basso reddito sarebbe quello di realizzare robot più piccoli e semi-autonomi che richiederebbero meno sensori.Produrre cotone di maggior valore con minori danni alle piante e al suolo potrebbe migliorare la vita di milioni di persone che si guadagnano da vivere coltivando questo raccolto globale.