本節書摘來異步社群《機器人愛好者（第1輯）》一書中的第1章，第1.2節，作者：美國servo雜志社，更多章節内容可以通路雲栖社群“異步社群”公衆号檢視
tom carroll 撰文 雍琦 譯
我最近讀了一篇極棒的文章，由frank tobe撰寫并發表在他自己主持的線上雜志《機器人報告》上。frank的文章名為《機器人準備好了嗎？》，文章介紹了27家公司，真是讓我大開眼界，沒想到有那麼多機器人正投身于跟人類命運息息相關的農業領域。在我看來，農業是人類最重要的産業，它不僅為人類和牲畜提供食物，而且為工業生産提供能源。
沿着加州i-5高速公路往南行駛，一路上會有數百英裡路程穿越加州中央谷地（圖1）。中央谷南北長約724千米，東西寬74～96千米。這片58 274平方千米的“伊甸園”生産了全世界90%的杏仁，還盛産莴苣、洋芋、葡萄、棉花、杏子和蘆筍。美國農産品出口量的8%都來自這裡。
我沿101公路傳回時，看到了品種繁多的農作物。農田上方有時會有嗡嗡作響的噴粉飛機噴撒農藥，防止病蟲害。
本文不想一上來就介紹那些讓農業勞作變得簡單輕松的機器人，我反到是想先讨論一下這個問題：人類作為捕食者，是怎麼邁入農業生産的。
一開始，我們的祖先可能注意到了這樣一個事實，他們丢棄在岩穴周圍的果核和種子可以生發出果樹來。這讓他們意識到，隻要把這些又黑又不起眼的東西放到地裡，它們就能長成新的樹木。谷物也一樣。
同樣的，他們學會了圈養動物。比起追捕、獵殺野生動物來說，圈養動物容易多了。
時光匆匆，數千年之後，農業已從小打小鬧發展成占用大量土地的産業。為了适宜作物生長，土地必須不斷耕耘，我們的祖先在很長時間裡都以人力進行這項勞作，如圖2所示。
用犁耕地的方法有一個演變過程。開始的時候，由人從後面推犁。後來發展成由某種溫馴的動物在前面拉犁，人在後面扶着，如圖3所示。在世界上許多地方，農業生産的面貌依舊如此。
當農産品生産日益豐富，不僅能滿足一家口糧，還能往外出售時，大規模耕作方法就顯得很有必要了。耕地面積增大，播種和收獲時需要的人力和畜力越來越多。圖4展示了一個誇張的場景，“增加馬力”，拉動更大的農業工具。
農業機械化生産裝置的革命性發展，當拜cyrus mccormick所賜，1931年22歲的他發明了收割機。年輕的mccormick從他父親失敗的發明設計中汲取經驗教訓，不斷改進他的發明。直至1845年，mccormick的收割機才真正拿得出手，開始銷售。
圖5展示了1884年改進之後的收割機，不僅能收割，還能捆紮。收割機是19世紀最重要的發明之一。
接納新科技的現代農業
讓我們把時鐘撥回1984年，tom selleck的電影《失控》 （runaway）在那一年橫空出世。電影講了一個警務機器人專家追捕一個失控的農業機器人的故事。這個專家新交的女友，後來逮到了任性的機器人。正是這部電影讓我意識到，機器人在商業化生産的農業領域大有作為。
據估計，世界人口在2050年将達到90億。到那時，農業産量必須得比現在番一番，才能滿足人類需要。全世界可耕土地面積是有限的，是以，生産效率得提升25%才能滿足産量翻一番的要求。frank tobe那篇遠見卓識的文章，概括了一些在農業發展方面讓人眼前一亮的事實，包括：
為降低成本，美國主要的農業聯合企業正在國外購買土地，并在國外開展種植。
中國正在非洲購買土地，派遣熟練勞工前往當地訓練并管理新手。
全世界的農民和農場主們，正往精細化耕作方向轉變。比如：把大塊耕地細分成小區塊，有時甚至為單株植物或單個動物劃出專門地塊，以此增加生産效率，降低成本。
将無人機用于勘察、觀測、檢驗和噴灑。
無人（至少是自動）車能精确移動，精确作業。
美國勞工統計局資料顯示， 2012年農民的中位數收是每小時9.09美元。
美國勞工統計局資料顯示， 2012年美國從事農業勞動的人口為749400人，比2011年減少3%（25000人）。
在美國從事農業生産的人口裡，大約有74%是墨西哥或中美洲人，其中有一半多屬于非法勞工（據《财富》雜志報導）。
農作物噴粉飛機作業人員的傷亡率極高，在全美排第3。在日本，90%的噴粉作業由無人機完成。
市場分析公司researchmoz在2014年1月29日的一篇文章中指出，農業機器人市場規模将從2013年的0.817億美元增長至2020年的1.63億美元。
拖拉機：農業的心髒
我是在北卡州東部的一個農業小鎮長大的，從小就見識過各式各樣的拖拉機和農業裝置。幾十年後，我移居到華盛頓州西南部的另一個小鎮，仍舊能時時在住處周圍看見拖拉機。不論新舊，拖拉機從來都是國慶日巡遊裡的常客。每年夏天，克拉克縣博覽會展覽的拖拉機總會吸引很多人，包括我自己。
圖6展示了一輛典型的老式拖拉機。約367千瓦單缸引擎和約73千瓦調速輪組合在一起，就能帶動多種不同的農業機械，我總覺得這很神奇。你所要做的不過是點燃引擎，讓它每隔五圈給飛輪一把推力。
圖7展示的是一台未經清理涮洗的老式引擎。洗幹淨的話，它看起來就跟圖檔背景裡那台綠色引擎一樣。它們的結構簡單，永不停歇。
圖8展示的steiger 535是一輛典型的現代拖拉機。為了增加牽引力，它裝配有巨型輪子，看上去有點誇張。現在的拖拉機裝置豐富，配有空調、封閉式駕駛室、舒适的座椅、音響系統、gps，有的甚至配有小型冰箱，可以在漫長的全天田間勞作裡為你提供“冰飲”。
圖9展示的是由autonomous拖拉機公司生産的spirit at4000，它是真正的全自動拖拉機。請注意，它沒有駕駛室。這輛拖拉機重達11噸，其實還算是輕的，因為設計時考慮到了避免壓實泥土。
2012年的原型機使用了光電混合導航系統，可以防止拖拉機越出耕地邊界。
spirit拖拉機以一對惠普202柴油發動機帶動一對發電機，後者驅動分别裝在四個輪子上的電動馬達。輪子轉圈，帶動寬大的履帶行進。
經過十多年的發展，自動拖拉機已經不再使用gps做導航了，gps總會周期性地出問題。現在，人們在耕地周圍設定雷射發射器和接收器，可以精确地為拖拉機導航。如果雷射遇到山體或障礙物，就輔以甚高頻（vhf）電台。圖10展示的是正在加裝幹草收割裝置的spirit拖拉機。
從事重複性農業勞作的機器人
在讨論各種特别的機器人設計之前，我想先重點介紹一下一位真正的機器人設計專家，他一直緻力于研發溫室專用機器人。harvest automation公司的聯合創始人和首席技術官joe jones，發明了一種非常引人注目的機器人。這種機器人不僅有搬運功能，還能自動定位植物生長罐。圖11展示的就是harvest automation生産的hv-100機器人，已經有一些新聞報道以視訊形式展示過它的風采。hv-100讓我不禁想起科幻電影《宇宙靜悄悄》（silent running）裡的三個角色：huey、dewey和louie。這3個機器人長相粗短，行動笨拙，為星際飛船valley forge上的船員提供服務。
hv-100身材小巧，由輪子驅動，能夠搬起多種不同的植物罐，将它們快速運到其他地方。這種機器人由傳感器和程式控制，可以忠實地完成任務。在圖11裡，标出了各部件名稱：（a）雷射測距儀、（b）邊界傳感器、（c）夾子、（d）緊急制動開關，以及電器封裝部位。
jones在參加某次機器人工業論壇時，就怎樣決定設計何種機器人發過一番妙論。mark hoske在其為《控制工程》雜志（control engineering magazine）撰寫的一篇文章中摘錄了jones的一句話：“用于農業的小型移動機器人。”他的機器人方案備選清單幾乎是為農業生産量身定制的，但同樣适何于其他種類移動機器人的設計和制造。要想發明出成功的機器人，jones認為必須做到以下幾點：
1．做人們想要的；
2．技術手段必須是現成的；
3．比現有産品更具成本優勢。
jones在機器人領域有着廣泛深厚的背景，曾就先後職于三家不同的機器人公司以及著名的mit機器人實驗室，打造過irobots等多個商業項目。
農業生産中有許多重複性動作，大多數人覺得這很痛苦。快速檢查一下圖11中的機器人，我們就能知道，它是以現成技術為依托的“差異導向平台”（differentially steered plaform）。它尺寸嬌小，結構簡單，在同現有勞動力的比拼中極具競争力。
jones指出，設計移動機器人還有特殊要求：“設計任何一種移動機器人，都面臨6個方面的挑戰：應用系統（傳感器、執行器和軟體），導航系統，應急系統，移動系統，動力系統，以及互動系統。”
他還指出，典型的農業勞動“……常常伴随因重複提取重物造成的勞累。季節性勞動力極其稀缺，其中80%又是非法勞工，工作效率極低。”
在加州收割莴苣的機器人
葉用莴苣（也就是生菜）是加州中央谷市價最高的作物，每年的産值大約為16億美元。莴苣産業包含的内容，遠遠不止采摘、包裝、運輸、銷售和食用這幾項而已。
要讓這種綠葉蔬菜變成你的沙拉或三明治裡的食材，不光是讓它生長成材并整株采下那麼簡單。要想讓這種作物健康成長，必須得好好看護它們。加州的傳統是雇傭大量廉價勞動力，但近來能雇到的人越來越少，而且要價越來越高。
人們通常覺得農作物不需要除草和間苗，但莴苣需要一定的空間才能長成。必須定期除去發育不全或受病的植株。嚴禁采摘還在生長過程中的小植株。這些判斷，都由受過訓練的人作出。
快來看看莴苣機器人吧，它由jorge heraud和lee redden設計研發，他們曾是斯坦福大學研究所學生同學。
在斯坦福大學時，jorge和lee參加過精益商業模式課程（lean launchpad）的一期創業課，之後，他們燃起雄心壯志，希望通過機器人和計算機視覺技術，實作農業可持續發展。在課程中，這支團隊創造了莴苣機器人的原型，并在加州中央谷的田間進行了測試，成功地讓計算機識别出不同種類的農作物。全自動莴苣機器人從此誕生了。
借助幾位教授的種子基金和美國國家科學基金小企業創新研究計劃（nsf sbir）的一筆資助，jorge和lee的事業開始起飛，他們組建了自己的公司，取名為藍河科技（blue river technology），寓意可持續、充滿活力、永遠前進。
藍河科技指出：“莴苣機器人（圖12）是一種由拖拉機牽引的裝置。機器人随着拖拉機前行的腳步拍攝莴苣，利用專門設計的計算機視覺算法，把拍得的圖檔與資料庫内的莴苣圖檔作比較。據報道，對比的精确程度高達98%。如果機器人檢測到雜草或需要間苗的莴苣，就會打出一劑濃肥料，消滅有害植株，保護其他植株健康成長。不可思議的是，即使以每小時1.9千米的速度穿越農田，莴苣機器人的間苗效率仍能抵得上20個手工勞動力，不論是準确度還是速度。”
圖13描繪了全自動莴苣機器人工作時的景象。莴苣産業對于加州經濟來說極其重要性，是以，目前已有其他幾家公司正加入到設計研發莴苣機器人的隊伍中來。
摘草莓的agrobot機器人
agrobot機器人是幾家研究團體的創作結晶，這些團體的總部都坐落于西班牙韋爾瓦市（huelva）。agrobot計劃由工程師juan bravo牽頭，圖14中駕駛收割機的就是他本人。juan bravo的身後，是多個配備終端感覺器的“采摘臂”。圖15展示了采摘機器人在草莓試驗田作業的場景。
agrobot機器人并不是以機械手段等價複制人手的複雜功能。它利用可視化技術，将橡膠裹襯的籃子（圖16）引導至已經成熟的紅草莓那裡，然後用升降裝置把草莓摘下。
采摘草莓可不是件輕松的工作，它長得離地面得近，需要一次又一次彎腰勞動。我小時候為了掙零花錢就摘過草莓，一籃0.5美元。一點都不好玩。
摘下的草莓放到傳輸帶上，運送到坐在機器人前面的勞工那裡。勞工對草莓進行檢測，并把它們封裝在容器裡——翻蓋盒、柳條箱或木桶都可以。承接草莓的橡膠籃由好幾條機械臂抓着，以便同時進行雙向采摘。這種機器人已在加州沃森維爾市（watsonville）得到使用，那裡出産的草莓占全加州産量的40%。
加州的企業家們見識了這種機器人的原型之後，它們有機會在試驗果園裡得到進一步檢驗。如果要使用收割機器人，植株必須單排種植，這樣會減少種植量，産量也随之減低。多數地面還得擡起，以便采摘籃能夠到植株的所有部位。
潛在買家得明白，機器人不會自己思考，不會找出隐藏在葉子後面或處于植株偏僻角落裡的果實。這種機器人售價250000美元，配備60條機械臂。
農業生産中的關節臂機器人
幾年前，我寫過一篇文章介紹wall-ye v.i.n. 1000修剪機器，如圖17所示。這種機器人專門用于在葡萄園内修剪枝葉。這種由法國梅肯市（macon）的wall-ye公司發明的機器人，已經開始改變葡萄酒工業。
這種機器人的奧秘，在于通過有效地整合關節臂與視覺系統，伸入葡萄植株，剪掉已死亡或得病的部分。這種工作通常要花費勞工們數百小時的工作時間，而且勞工的技術水準還得達到這一高度，才能判斷哪些部分是需要修剪的以及怎樣修剪。
人們有時候輕視農業勞動，但實際上，大多數農業勞動需要的并不僅僅是體力。這種價值30000美元的機器人，将在很短時間裡證明自己物有所值，為葡萄園主承擔那些令人生厭但必不可少的勞作。
最終思考
目前為止，我接觸到的農業機器人品種還很少，前面提到的frank tobe的文章讓我受惠良多。不論什麼産業，都能利用現代科技增加産量，降低成本，提高安全性，生産出各方面都更加優秀産品。每當想起這些，我都不由得心潮澎湃。
農業也不例外。無人機盤旋于田間地頭，可以勘察地面，偵測災害，監視勞作，以及做其他種種事情。機器人拖拉機和自動化裝置，可以獨自完成耕地、種植、收割等任務。給果樹修剪枝葉、采摘果實的任務，也可以交給機器人。
擠牛奶的工作與農業類似。如今，不再有擠奶工坐在擠奶凳上手工擠奶的場景，就像圖18中那種方式那樣。牛奶場使用機械擠奶裝置，自動驅趕奶牛到指定位置，清洗乳房，将擠奶器接到牛乳頭上。擠奶器檢測到擠奶結束後，從牛乳頭上移除奶杯，再把奶牛趕回牧場。
請讀者注意，我在文章裡提到的機器人都還處于原型階段。不過，它們肯定能邁上新的台階，成為主流應用。
農業必須改變，它也正在改變中。人類需要以更低的代價獲得更多的食物，舊式的農業生産方式必将淡出曆史舞台。