Nosso robô colhe algodão estendendo a mão e arrancando-o, como a língua de um lagarto capturando moscas

O algodão é uma das culturas mais valiosas cultivadas nos EUA, com um valor de colheita de cerca de US$ 7 bilhões anuais.É cultivada em um crescente de 17 estados que se estende da Virgínia à Califórnia e é usado em praticamente todo tipo de roupa, bem como em suprimentos médicos e produtos domésticos, como estofados.

O algodão cresce dentro de uma caixa dura e fibrosa chamada cápsula.Cerca de 100 dias após o plantio, os capulhos amadurecem e se abrem, revelando milhares de fibras brancas e fofas em seu interior.Cada cápsula contém de 20 a 40 sementes com fibras ligadas a elas, razão pela qual o fruto do algodoeiro é chamado de algodão em caroço.

A colheita manual do algodão, como ainda é feito em alguns principais países produtores, é uma tarefa meticulosa.Os trabalhadores têm que se curvar para alcançar os capulhos e podem machucar as mãos partes duras e secas das plantas.Para colher o caroço de algodão, eles precisam agarrá-lo e torcê-lo para separá-lo da cápsula sem deixar fibra.

A partir da década de 1930, os produtores de algodão nos EUApassou do trabalho manual para colheitadeiras grandes e pesadas.Agora a indústria entra em uma nova etapa que promete ser mais eficiente e precisa.

Sou engenheiro e tenho quase 20 anos de experiência em pesquisa trabalhando em máquinas agrícolas.Meu foco atual é em robótica agrícola e automação.Durante meu doutorado.programa na Mississippi State University, trabalhei com Alex Thomasson, que lidera o departamento de engenharia agrícola e biológica e o Instituto de Autonomia Agrícola, para desenvolver um colheitadeira robótica de algodão que colhe o algodão com menos danos ao produto e ao solo onde ele cresce.

Por que usar a robótica?

Os produtores de algodão têm razões económicas, ambientais e agrícolas para quererem uma melhor opção para a colheita.As colheitadeiras mecânicas tradicionais podem ter até 4,2 metros de comprimento e pesar mais de 30 toneladas.Eles removem o algodão de forma eficaz sem danificar as plantas, mas também podem causar problemas.

Um problema é a exposição prolongada às fibras.As cápsulas de algodão não amadurecem todas ao mesmo tempo;as primeiras cápsulas abertas em um campo podem esperar até 50 dias para serem colhidas, até que mais cápsulas ao seu redor amadureçam.

Outro desafio é que as máquinas de colheita compactam o solo à medida que o rolam.Isso torna mais difícil a penetração da água e do fertilizante nas raízes das plantas.E as máquinas custam cerca de US$ 1 milhão cada, mas são usadas apenas dois a três meses por ano.

A robótica é uma solução potencial que os agricultores já estão a utilizar para outras culturas, tais como frutas e legumes.Os robôs de colheita usam câmeras e sensores para detectar quando as culturas estão prontas para serem colhidas e podem removê-las sem danificar a planta.

Para o algodão, a robótica oferece uma colheita mais direcionada de cápsulas prontas para colheita.Produz fibra de algodão de melhor qualidade colhendo o caroço assim que os capulhos abrem, sem deixá-lo exposto às intempéries.O robô mira o caroço do algodão e evita tocar em outras partes da planta.

Com a colheita robótica, os produtores de algodão não precisa usar desfolhantes remover as folhas das plantas antes da colheita, o que é uma prática comum atualmente.E robôs pequenos e ágeis não comprimem o solo à medida que se movem sobre ele, ajudando a manter a saúde do solo.

Uma ‘mão escolhida’ bioinspirada

Nosso trabalho se concentra em projetar um efetor final para colheita robótica de algodão.Um efetor final é uma mão robótica que permite ao robô interagir com outros objetos.A nossa é uma versão de três dedos projetada para uma colheita delicada e eficiente de algodão.Inspira-se na natureza, imitando a habilidade de caça de um lagarto.

Cada dedo é uma estrutura impressa em 3D que contém uma correia móvel com pinos presos a ela.Os alfinetes ajudam a mão a agarrar e puxar o caroço de algodão.Como um lagarto arrebatando presas com sua língua pegajosa, os três dedos do nosso efetor final aproximam-se delicadamente do algodão em caroço.Ao entrar em contato, as fibras de algodão aderem aos dedos da máquina, da mesma forma que um inseto adere à língua de um lagarto.

Em seguida, a mão se retrai rapidamente, como a língua do lagarto.O efetor final continua trabalhando para “engolir” o caroço de algodão, transferindo-o para fora da planta.À medida que a colheitadeira colhe e transfere o algodão em caroço para fora da planta, o efetor final toca partes da cápsula de algodão com o algodão em caroço restante várias vezes para colher o máximo possível.

Para colher algodão de forma eficiente, nosso robô precisa fazer três coisas:detectar cápsulas prontas para colheita, determinar exatamente onde elas estão localizadas em um espaço tridimensional e colher o algodão.

O robô usa um algoritmo de aprendizagem profunda que treinamos para reconhecer cápsulas abertas em algodoeiros.Ele usa uma câmera de estereovisão para calcular suas coordenadas espaciais 3D, que transfere para o braço robótico.Um algoritmo de controle monitora cada cápsula de algodão para garantir que o robô colha a maior quantidade possível de algodão em caroço.

Testes e resultados

Até agora, testamos a colheitadeira robótica de algodão em o laboratório e em campos de algodão.O sistema de detecção encontrou 78% de cápsulas de algodão maduras;o sistema de localização calculou coordenadas 3D para 70% dos capulhos detectados;e o sistema de colheita colheu com sucesso 83% dessas cápsulas.No geral, o robô colheu cerca de 50% das cápsulas de algodão que estavam ao seu alcance.

Nossa colheitadeira colheu algodão a uma velocidade de 8,8 segundos por cápsula.Se pudermos diminuir esse tempo necessário para 0,3 segundos e aumentar a eficiência do robô para colher pelo menos 90% das cápsulas de algodão que pode alcançar, otimizando o sistema e adicionando mais braços a um robô, uma frota de 50 robôs poderia colher um algodão campo tão rapidamente quanto uma colheitadeira mecânica, com um rendimento comparável.

Para melhorar o desempenho geral do robô, planeamos adotar melhores algoritmos de inteligência artificial, melhorar a câmara do nosso sistema e adicionar outro grau de movimento ao braço robótico – por exemplo, permitindo que o efetor final rode – para aumentar a sua destreza.

Vemos um grande potencial para o nosso robô nos principais países produtores de algodão, como a China, a Índia, o Paquistão e o Uzbequistão, onde o algodão é atualmente colhido manualmente, muitas vezes por mulheres e crianças e às vezes em condições abusivas.Uma forma de disponibilizar esta tecnologia para pequenos agricultores em países de baixos rendimentos seria fabricar robôs mais pequenos e semiautónimos que exigiriam menos sensores.A produção de algodão de maior valor e com menos danos às plantas e ao solo poderia melhorar a vida de milhões de pessoas que ganham a vida cultivando esta cultura global.