本节书摘来异步社区《机器人爱好者（第1辑）》一书中的第1章，第1.2节，作者：美国servo杂志社，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看
tom carroll 撰文 雍琦 译
我最近读了一篇极棒的文章，由frank tobe撰写并发表在他自己主持的在线杂志《机器人报告》上。frank的文章名为《机器人准备好了吗？》，文章介绍了27家公司，真是让我大开眼界，没想到有那么多机器人正投身于跟人类命运息息相关的农业领域。在我看来，农业是人类最重要的产业，它不仅为人类和牲畜提供食物，而且为工业生产提供能源。
沿着加州i-5高速公路往南行驶，一路上会有数百英里路程穿越加州中央谷地（图1）。中央谷南北长约724千米，东西宽74～96千米。这片58 274平方千米的“伊甸园”生产了全世界90%的杏仁，还盛产莴苣、土豆、葡萄、棉花、杏子和芦笋。美国农产品出口量的8%都来自这里。
我沿101公路返回时，看到了品种繁多的农作物。农田上方有时会有嗡嗡作响的喷粉飞机喷撒农药，防止病虫害。
本文不想一上来就介绍那些让农业劳作变得简单轻松的机器人，我反到是想先讨论一下这个问题：人类作为捕食者，是怎么迈入农业生产的。
一开始，我们的祖先可能注意到了这样一个事实，他们丢弃在岩穴周围的果核和种子可以生发出果树来。这让他们意识到，只要把这些又黑又不起眼的东西放到地里，它们就能长成新的树木。谷物也一样。
同样的，他们学会了圈养动物。比起追捕、猎杀野生动物来说，圈养动物容易多了。
时光匆匆，数千年之后，农业已从小打小闹发展成占用大量土地的产业。为了适宜作物生长，土地必须不断耕耘，我们的祖先在很长时间里都以人力进行这项劳作，如图2所示。
用犁耕地的方法有一个演变过程。开始的时候，由人从后面推犁。后来发展成由某种温驯的动物在前面拉犁，人在后面扶着，如图3所示。在世界上许多地方，农业生产的面貌依旧如此。
当农产品生产日益丰富，不仅能满足一家口粮，还能往外出售时，大规模耕作方法就显得很有必要了。耕地面积增大，播种和收获时需要的人力和畜力越来越多。图4展示了一个夸张的场景，“增加马力”，拉动更大的农业工具。
农业机械化生产设备的革命性发展，当拜cyrus mccormick所赐，1931年22岁的他发明了收割机。年轻的mccormick从他父亲失败的发明设计中汲取经验教训，不断改进他的发明。直至1845年，mccormick的收割机才真正拿得出手，开始销售。
图5展示了1884年改进之后的收割机，不仅能收割，还能捆扎。收割机是19世纪最重要的发明之一。
接纳新科技的现代农业
让我们把时钟拨回1984年，tom selleck的电影《失控》 （runaway）在那一年横空出世。电影讲了一个警务机器人专家追捕一个失控的农业机器人的故事。这个专家新交的女友，后来逮到了任性的机器人。正是这部电影让我意识到，机器人在商业化生产的农业领域大有作为。
据估计，世界人口在2050年将达到90亿。到那时，农业产量必须得比现在番一番，才能满足人类需要。全世界可耕土地面积是有限的，所以，生产效率得提升25%才能满足产量翻一番的要求。frank tobe那篇远见卓识的文章，概括了一些在农业发展方面让人眼前一亮的事实，包括：
为降低成本，美国主要的农业联合企业正在国外购买土地，并在国外开展种植。
中国正在非洲购买土地，派遣熟练工人前往当地训练并管理新手。
全世界的农民和农场主们，正往精细化耕作方向转变。比如：把大块耕地细分成小区块，有时甚至为单株植物或单个动物划出专门地块，以此增加生产效率，降低成本。
将无人机用于勘察、观测、检验和喷洒。
无人（至少是自动）车能精确移动，精确作业。
美国劳工统计局数据显示， 2012年农民的中位数收是每小时9.09美元。
美国劳工统计局数据显示， 2012年美国从事农业劳动的人口为749400人，比2011年减少3%（25000人）。
在美国从事农业生产的人口里，大约有74%是墨西哥或中美洲人，其中有一半多属于非法劳工（据《财富》杂志报导）。
农作物喷粉飞机作业人员的伤亡率极高，在全美排第3。在日本，90%的喷粉作业由无人机完成。
市场分析公司researchmoz在2014年1月29日的一篇文章中指出，农业机器人市场规模将从2013年的0.817亿美元增长至2020年的1.63亿美元。
拖拉机：农业的心脏
我是在北卡州东部的一个农业小镇长大的，从小就见识过各式各样的拖拉机和农业设备。几十年后，我移居到华盛顿州西南部的另一个小镇，仍旧能时时在住处周围看见拖拉机。不论新旧，拖拉机从来都是国庆日巡游里的常客。每年夏天，克拉克县博览会展览的拖拉机总会吸引很多人，包括我自己。
图6展示了一辆典型的老式拖拉机。约367千瓦单缸引擎和约73千瓦调速轮组合在一起，就能带动多种不同的农业机械，我总觉得这很神奇。你所要做的不过是点燃引擎，让它每隔五圈给飞轮一把推力。
图7展示的是一台未经清理涮洗的老式引擎。洗干净的话，它看起来就跟图片背景里那台绿色引擎一样。它们的结构简单，永不停歇。
图8展示的steiger 535是一辆典型的现代拖拉机。为了增加牵引力，它装配有巨型轮子，看上去有点夸张。现在的拖拉机设备丰富，配有空调、封闭式驾驶室、舒适的座椅、音响系统、gps，有的甚至配有小型冰箱，可以在漫长的全天田间劳作里为你提供“冰饮”。
图9展示的是由autonomous拖拉机公司生产的spirit at4000，它是真正的全自动拖拉机。请注意，它没有驾驶室。这辆拖拉机重达11吨，其实还算是轻的，因为设计时考虑到了避免压实泥土。
2012年的原型机使用了光电混合导航系统，可以防止拖拉机越出耕地边界。
spirit拖拉机以一对惠普202柴油发动机带动一对发电机，后者驱动分别装在四个轮子上的电动马达。轮子转圈，带动宽大的履带行进。
经过十多年的发展，自动拖拉机已经不再使用gps做导航了，gps总会周期性地出问题。现在，人们在耕地周围设置激光发射器和接收器，可以精确地为拖拉机导航。如果激光遇到山体或障碍物，就辅以甚高频（vhf）电台。图10展示的是正在加装干草收割设备的spirit拖拉机。
从事重复性农业劳作的机器人
在讨论各种特别的机器人设计之前，我想先重点介绍一下一位真正的机器人设计专家，他一直致力于研发温室专用机器人。harvest automation公司的联合创始人和首席技术官joe jones，发明了一种非常引人注目的机器人。这种机器人不仅有搬运功能，还能自动定位植物生长罐。图11展示的就是harvest automation生产的hv-100机器人，已经有一些新闻报道以视频形式展示过它的风采。hv-100让我不禁想起科幻电影《宇宙静悄悄》（silent running）里的三个角色：huey、dewey和louie。这3个机器人长相粗短，行动笨拙，为星际飞船valley forge上的船员提供服务。
hv-100身材小巧，由轮子驱动，能够搬起多种不同的植物罐，将它们快速运到其他地方。这种机器人由传感器和程序控制，可以忠实地完成任务。在图11里，标出了各部件名称：（a）激光测距仪、（b）边界传感器、（c）夹子、（d）紧急制动开关，以及电器封装部位。
jones在参加某次机器人工业论坛时，就怎样决定设计何种机器人发过一番妙论。mark hoske在其为《控制工程》杂志（control engineering magazine）撰写的一篇文章中摘录了jones的一句话：“用于农业的小型移动机器人。”他的机器人方案备选清单几乎是为农业生产量身定制的，但同样适何于其他种类移动机器人的设计和制造。要想发明出成功的机器人，jones认为必须做到以下几点：
1．做人们想要的；
2．技术手段必须是现成的；
3．比现有产品更具成本优势。
jones在机器人领域有着广泛深厚的背景，曾就先后职于三家不同的机器人公司以及著名的mit机器人实验室，打造过irobots等多个商业项目。
农业生产中有许多重复性动作，大多数人觉得这很痛苦。快速检查一下图11中的机器人，我们就能知道，它是以现成技术为依托的“差异导向平台”（differentially steered plaform）。它尺寸娇小，结构简单，在同现有劳动力的比拼中极具竞争力。
jones指出，设计移动机器人还有特殊要求：“设计任何一种移动机器人，都面临6个方面的挑战：应用系统（传感器、执行器和软件），导航系统，应急系统，移动系统，动力系统，以及交互系统。”
他还指出，典型的农业劳动“……常常伴随因重复提取重物造成的劳累。季节性劳动力极其稀缺，其中80%又是非法劳工，工作效率极低。”
在加州收割莴苣的机器人
叶用莴苣（也就是生菜）是加州中央谷市价最高的作物，每年的产值大约为16亿美元。莴苣产业包含的内容，远远不止采摘、包装、运输、销售和食用这几项而已。
要让这种绿叶蔬菜变成你的沙拉或三明治里的食材，不光是让它生长成材并整株采下那么简单。要想让这种作物健康成长，必须得好好看护它们。加州的传统是雇佣大量廉价劳动力，但近来能雇到的人越来越少，而且要价越来越高。
人们通常觉得农作物不需要除草和间苗，但莴苣需要一定的空间才能长成。必须定期除去发育不全或受病的植株。严禁采摘还在生长过程中的小植株。这些判断，都由受过训练的人作出。
快来看看莴苣机器人吧，它由jorge heraud和lee redden设计研发，他们曾是斯坦福大学研究生同学。
在斯坦福大学时，jorge和lee参加过精益商业模式课程（lean launchpad）的一期创业课，之后，他们燃起雄心壮志，希望通过机器人和计算机视觉技术，实现农业可持续发展。在课程中，这支团队创造了莴苣机器人的原型，并在加州中央谷的田间进行了测试，成功地让计算机识别出不同种类的农作物。全自动莴苣机器人从此诞生了。
借助几位教授的种子基金和美国国家科学基金小企业创新研究计划（nsf sbir）的一笔资助，jorge和lee的事业开始起飞，他们组建了自己的公司，取名为蓝河科技（blue river technology），寓意可持续、充满活力、永远前进。
蓝河科技指出：“莴苣机器人（图12）是一种由拖拉机牵引的设备。机器人随着拖拉机前行的脚步拍摄莴苣，利用专门设计的计算机视觉算法，把拍得的图片与数据库内的莴苣图片作比较。据报道，对比的精确程度高达98%。如果机器人检测到杂草或需要间苗的莴苣，就会打出一剂浓肥料，消灭有害植株，保护其他植株健康成长。不可思议的是，即使以每小时1.9千米的速度穿越农田，莴苣机器人的间苗效率仍能抵得上20个手工劳动力，不论是准确度还是速度。”
图13描绘了全自动莴苣机器人工作时的景象。莴苣产业对于加州经济来说极其重要性，因此，目前已有其他几家公司正加入到设计研发莴苣机器人的队伍中来。
摘草莓的agrobot机器人
agrobot机器人是几家研究团体的创作结晶，这些团体的总部都坐落于西班牙韦尔瓦市（huelva）。agrobot计划由工程师juan bravo牵头，图14中驾驶收割机的就是他本人。juan bravo的身后，是多个配备终端感知器的“采摘臂”。图15展示了采摘机器人在草莓试验田作业的场景。
agrobot机器人并不是以机械手段等价复制人手的复杂功能。它利用可视化技术，将橡胶裹衬的篮子（图16）引导至已经成熟的红草莓那里，然后用升降设备把草莓摘下。
采摘草莓可不是件轻松的工作，它长得离地面得近，需要一次又一次弯腰劳动。我小时候为了挣零花钱就摘过草莓，一篮0.5美元。一点都不好玩。
摘下的草莓放到传输带上，运送到坐在机器人前面的工人那里。工人对草莓进行检测，并把它们封装在容器里——翻盖盒、柳条箱或木桶都可以。承接草莓的橡胶篮由好几条机械臂抓着，以便同时进行双向采摘。这种机器人已在加州沃森维尔市（watsonville）得到使用，那里出产的草莓占全加州产量的40%。
加州的企业家们见识了这种机器人的原型之后，它们有机会在试验果园里得到进一步检验。如果要使用收割机器人，植株必须单排种植，这样会减少种植量，产量也随之减低。多数地面还得抬起，以便采摘篮能够到植株的所有部位。
潜在买家得明白，机器人不会自己思考，不会找出隐藏在叶子后面或处于植株偏僻角落里的果实。这种机器人售价250000美元，配备60条机械臂。
农业生产中的关节臂机器人
几年前，我写过一篇文章介绍wall-ye v.i.n. 1000修剪机器，如图17所示。这种机器人专门用于在葡萄园内修剪枝叶。这种由法国梅肯市（macon）的wall-ye公司发明的机器人，已经开始改变葡萄酒工业。
这种机器人的奥秘，在于通过有效地整合关节臂与视觉系统，伸入葡萄植株，剪掉已死亡或得病的部分。这种工作通常要花费工人们数百小时的工作时间，而且工人的技术水平还得达到这一高度，才能判断哪些部分是需要修剪的以及怎样修剪。
人们有时候轻视农业劳动，但实际上，大多数农业劳动需要的并不仅仅是体力。这种价值30000美元的机器人，将在很短时间里证明自己物有所值，为葡萄园主承担那些令人生厌但必不可少的劳作。
最终思考
目前为止，我接触到的农业机器人品种还很少，前面提到的frank tobe的文章让我受惠良多。不论什么产业，都能利用现代科技增加产量，降低成本，提高安全性，生产出各方面都更加优秀产品。每当想起这些，我都不由得心潮澎湃。
农业也不例外。无人机盘旋于田间地头，可以勘察地面，侦测灾害，监视劳作，以及做其他种种事情。机器人拖拉机和自动化设备，可以独自完成耕地、种植、收割等任务。给果树修剪枝叶、采摘果实的任务，也可以交给机器人。
挤牛奶的工作与农业类似。如今，不再有挤奶工坐在挤奶凳上手工挤奶的场景，就像图18中那种方式那样。牛奶场使用机械挤奶设备，自动驱赶奶牛到指定位置，清洗乳房，将挤奶器接到牛乳头上。挤奶器检测到挤奶结束后，从牛乳头上移除奶杯，再把奶牛赶回牧场。
请读者注意，我在文章里提到的机器人都还处于原型阶段。不过，它们肯定能迈上新的台阶，成为主流应用。
农业必须改变，它也正在改变中。人类需要以更低的代价获得更多的食物，旧式的农业生产方式必将淡出历史舞台。