Вертикальные фермы закрытого типа считаются прогрессивным подходом к обеспечению жителей городов полезной пищей. К их преимуществам по сравнению с обычными полевыми фермами относятся круглогодичное производство сельскохозяйственных культур, меньшие потребности в воде и земле, а также отсутствие необходимости в пестицидах. Они также сокращают количество пищевых отходов и выбросы углекислого газа при транспортировке. Однако вертикальные фермы недоступны для птиц, пчел и других естественных опылителей, поэтому процесс опыления ложится на плечи человека. Этот трудоемкий процесс необходимо выполнять вручную для каждого цветка, чтобы обеспечить процветание урожая в помещении.
Ай-Пин Ху, ведущий инженер-исследователь Научно-исследовательского института Технологического института Джорджии (GTRI), много лет занимается изучением методов эффективного опыления цветущих растений и сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях.
Доцент Шрейас Коусик из Школы машиностроения им. Джорджа В. Вудраффа и группа стажеров-студентов разработали прототип робота, который справится с этой задачей. Робот может эффективно опылять растения, имеющие как мужские, так и женские репродуктивные органы. Таким растениям требуется лишь перенос пыльцы с одной части цветка на другую, а не с другого цветка.
Естественные опылители выполняют эту задачу на открытом воздухе, но Ху говорит, что фермеры, выращивающие растения в закрытых помещениях, часто используют кисточку или электрическую зубную щетку, чтобы обеспечить опыление цветов.
Одной из первых задач, которую решала исследовательская группа, было обучение робота определять «положение» каждого цветка. Положение — это ориентация, форма и симметрия цветка. Знание этих деталей обеспечивает точную доставку пыльцы для максимального успеха размножения.
«Крайне важно точно знать, в каком направлении повернуты цветы. К цветку нужно подходить спереди, потому что именно там находятся все биологические структуры. Зная положение цветка, вы поймете, где находится стебель. Наше устройство захватывает стебель и встряхивает его, чтобы удалить пыльцу. У каждого цветка своя поза, и нужно знать, какая именно, с точностью до 10 градусов», — сказал Ху.
Харш Мурики — магистрант по робототехнике в Школе интерактивных вычислений Технологического института Джорджии, который во время стажировки в компаниях Hu и GTRI использовал компьютерное зрение для решения задачи определения положения объектов.
Мурики прикрепил камеру к роботу FarmBot, чтобы сделать снимки клубничных кустов с десятков ракурсов в небольшом саду перед зданием факультета пищевых технологий Технологического института Джорджии. FarmBot — это робот с осями XYZ, который поливает и распыляет пестициды на открытые грядки, хотя он не способен к опылению.
«Мы восстанавливаем изображения цветка в 3D-модель и используем метод, который преобразует 3D-модель в несколько 2D-изображений с информацией о глубине. Это позволяет нам отправлять их детекторам объектов», — сказал Мурики.
Он пояснил, что использовал систему обнаружения объектов в реальном времени под названием YOLO (You Only Look Once) для классификации объектов. YOLO известна тем, что идентифицирует и классифицирует объекты за один проход.
Вед Сенгупта, студент факультета компьютерной инженерии, проходивший стажировку у Мурики, усовершенствовал алгоритмы преобразования 3D-изображений в 2D. «Это стало важнейшей частью процесса, сделавшего возможным роботизированное опыление. Существует большой разрыв между обработкой 3D и 2D изображений. В интернете не так много данных по обнаружению 3D-объектов, но зато их огромное количество по 2D. Нам удалось получить отличные результаты из преобразованных изображений, и я думаю, что любая технологическая отрасль может этим воспользоваться», — сказал Сенгупта.
Сенгупта, Мурики и Ху совместно написали статью о своей работе, которая была принята к публикации на Международной конференции по робототехнике и автоматизации (ICRA 2025) в Атланте. Она доступна на сервере препринтов arXiv .
Робот для опыления в настоящее время находится на стадии прототипа. Ху сказал, что робот может делать больше, чем просто опылять. Он также может анализировать каждый цветок, чтобы определить, насколько хорошо он был опылен и высоки ли шансы на размножение. «У него есть дополнительная возможность микроскопического исследования, — сказал Ху. — Это первое известное нам устройство, которое предоставляет визуальную обратную связь о том, насколько хорошо был опылен цветок».
Источник: Georgia Institute of Technology.
