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刘继展:生而灿烂 莫负年华
——记江苏大学农业装备工程学院农业信息化研究所所长刘继展

作者:□ 刘玉杰 范佳乐    发布时间:2019-07-05

导读:  随着生活水平的提高,我国百姓对饮食方面的要求也变得更高,越来越注重营养均衡,各类瓜果便成为日常饮食中不可缺少的重要角色。那么,外观诱人、数量庞大的各种水果,又是怎么低本高效、毫发无损地采摘下来的呢?来自江苏大学农业装备工程学院农业信息化研究所的刘继展所长,恐怕是最合适回答这个问题的专家之一了。

  随着生活水平的提高,我国百姓对饮食方面的要求也变得更高,越来越注重营养均衡,各类瓜果便成为日常饮食中不可缺少的重要角色。番茄、甜椒、黄瓜、苹果、葡萄、椰子、樱桃……各类新鲜果实铺满货架,色彩斑斓、香气扑鼻,令人垂涎欲滴。
  这些大大小小的果实,不仅形状不一,质地也大相径庭,有些硬邦邦坚如磐石,比如椰子;有些则娇滴滴晶莹剔透,比如葡萄。那么,外观诱人、数量庞大的各种水果,又是怎么低本高效、毫发无损地采摘下来的呢?这个问题,即使夸张如“日啖荔枝三百颗”的水果酷爱者,可能也从来没有想过。来自江苏大学农业装备工程学院农业信息化研究所的刘继展所长,恐怕是最合适回答这个问题的专家之一了。他在农业装备研究领域默默耕耘近20年,只为实现自动化、智能化的鲜食用果采摘。
  
回首科研路 花开伴艰辛
  刘继展相继于江苏大学(原江苏理工大学)机械制造及其自动化专业和机械设计及理论专业获得学士、硕士学位,并与农业领域结缘,成为农业生物环境与能源工程专业的博士。他面向鲜食用果生产的现实需求,倾力于农业机器人基础研究与技术攻关,从攻读博士和作为年轻科研工作者一路走来,为此倾注满腔热情,收获累累硕果。“农业生产是我国的命脉,我国农业装备化水平提高也很快,大田生产的综合机械化率已经超过80%”,采访时,刘继展说,“但果蔬生产的机械化水平不超过30%,目前还普遍处于‘无机可用’或者‘无好机可用’的状态,存在很多空白,成为实现农业全面现代化的巨大短板。”
  这位脸颊略显清瘦、目光炯炯有神的青年学者,20年如一日埋首于温室果园智能装备的研发。他笑着坦言:“我们做农业装备的一个特点,就是大量的时间要‘泡’在田间和农场,而且需要作业的时节,往往处于高温的夏季。”
  采访刘继展时,正值近40℃的高温席卷全国,每每到了这个季节,却也正是刘继展带着学生们在田间地头实践研究成果的时节。对于沉醉于科研的刘继展来说,对于这样“足蒸暑土气,背灼炎天光”的日子并不感到辛苦,反而很欣慰:“这对我自己和我的研究生也是很大的锻炼,在学校实验室内,往往感受不到这样的紧迫性,到现场以后,目睹果蔬生产机械化的迫切需求和恶劣条件,反而激发了学生们的主动性和潜力。”
  就是在这样不计条件、不求回报的全情付出下,刘继展带领团队,围绕温室、果园生产的全程智能装备与技术开展了多年研发,并逐渐形成了土壤基质管理、秧苗种植、水肥管理、植保、空中管理、收获、分级运输等系列智能化装备成果,部分已量产并投入生产应用。
  
攻坚克难 填补国际空白
  发达国家以规模化、标准化方式实现果蔬生产,同时其加工用果蔬占70%以上,相比于鲜食用果蔬的生产,加工用水果对成熟度、损伤、磕碰等方面的要求低很多,20世纪60年代欧美主要国家的加工用果蔬生产就已经实现了全面机械化,果蔬装备以大型化的修剪、施药、振动采收与喂入式采收机为主覆盖生产的各个环节。
  我国各类果园面积达近2亿亩,是全球第一大水果生产国,菜用果面积、产量也遥遥领先。但是,我国生产的绝大多数果蔬用于鲜食,同时生产规模偏小且规格众多,难以实现大规模的机械化生产。目前我国温室果园机械以小型土地耕整机械为主,近年来除草机械、修剪机械、地面与航空植保机械、山地运输机械等有了一定的发展,产后的集中分选设备已逐步成熟,但是收获、授粉、疏花疏果、现场分选、绑枝套袋等大量作业仍无机可用,大量管理作业均需要人工完成。随着劳动力成本急升和人口的迅速老龄化,解决果蔬生产的全面机械化问题已迫在眉睫。
  据刘继展介绍,以果园底盘配置耕整部件、升降平台、喷雾系统形成各类管理作业装备,适应郁闭果园、南方行间大排水沟果园、丘陵果园的底盘技术成为主要核心技术,现有轮式与履带通用底盘均难以有效解决果园行间的高通过性、防翻安全性和多动力输出问题,这是国外大型标准果园机械化作业所无需面临的问题。
  同时,他说,果园升降管理机作为人工空中作业的辅助设备,近年来发展迅猛,在多人配合驾驶和作业的大型化升降管理机产品基础上,单人独立操作作业的小型化果园升降管理机产品也相继问世,为果园的管理作业提供了更多辅助设备选择。但目前各类升降管理机产品仍普遍面临对不同地形、栽培模式、行间条件的适应问题,同时平台的便捷扩展、调平与防翻等技术,已成为扩展空中作业空间和提高作业安全性、便捷性的热点技术。
  特别是我国85%的果蔬用于鲜食,也即采摘后直接进入超市和菜场,对成熟度、外观、品质、保鲜期的要求大大提升,因此我国对农业机器人的应用更为急迫、要求也更高。面向苹果、梨、柑橘、葡萄、草莓、菠萝等大宗鲜食水果,以选择性作业为特征的机器人套袋、采收等技术,是满足我国以鲜食水果生产为主的人力替代的客观需要。经过多年的研究积累,相关技术已取得了飞速进步和重大突破,但主要受限于现有种植方式下果品在树冠的随机分布,机器人作业的实施难度过大。通过农艺—农机的深度融合破解机器人采收、套袋等作业的瓶颈已成为共识。
  “我国在这方面的研究比国外要滞后20至30年,我们从2000年以后才开始研究,几乎是从零起步,克服了很多困难,突破了很多瓶颈”,他不无自豪地表示,“目前我们国家在这个领域的研究已经迅速赶超上来,可以说与国外处于同步并跑水平,在少数领域已经能够达到国际领先。”他表示,这与党和国家的高度重视和大力支持是分不开的,科研人员、科研经费和科研力量的投入力度非常之大,目前,农业机器人的研发重心已经从美国、日本等发达国家,转移到了中国。
  刘继展没有辜负党和国家的期望与重托,正如他所信奉的人生格言:“生而灿烂,莫负年华”。他带领团队,没日没夜埋首于科研第一线,相继研究开发出多种创新型温室、果园智能装备,填补了多项空白,包括:
  基质摊填装备——“基质自动挖料上料机”“基质自动移动摊铺机”:基质自动挖料上料机克服现有装备不具备移动作业能力,无自动取料能力之不足,满足不同场所或位置的基质堆料上料、装箱需要。基质自动移动摊铺机实现人工极少介入的全程自动基质上料与架上均匀摊填和100mm高度误差自动仿形作业,解决高架栽培的基质摊铺与更换难题。
  秧苗移栽装备——“高架/高垄草莓苗自主移栽机”:针对长育苗期超大草莓苗、设施特殊栽培作业环境和弓背向外的特殊移栽要求,提出完全不同于现有各类半自动、全自动移栽机的全新技术方案,突破了光电弧形阵列导航、全轮毂电机仿形底盘、打孔放苗精准定位、一插式自动换盘等新技术,实现草莓等大苗移栽向高架、高垄的打孔、取苗、移苗、放苗一体全自动作业。
  果园耕整装备——“果园自变速宽深开沟施肥机”:能够满足果园行间500*400mm宽深开沟需求,配有履带式无级变速底盘,矮化机身,保证行间通过性,一键式作业启停和电磁式动力切断,实现了果园复杂环境条件下自变速调控与安全保护。
  智能植保装备——“果园智能双摆式弥雾施药机”和“遥控式摆动雾化施药机”:果园智能双摆式弥雾施药机能够摆动弥雾施药,雾滴细小,喷施均匀,药液耗量仅为常规风送喷雾的1/20~1/10,并且小巧轻便,无须底盘动力,操作极为简便,一键即可达到启停,实现果园复杂环境条件下的药量精确预警和缺液保护。遥控式摆动雾化施药机采用遥控式作业,履带底盘,雾化喷筒、自主摆动喷施,体型小巧,可满足温室各类作物的植保需要。
  果园管理装备——“自动防翻型单人操控小型升降管理机”:可以满足坡地等各类复杂环境下单人驾驶操控的空中升降作业需要,行驶速度可达1.4m/s,长宽仅1.2m*0.8m,机上手柄集成操控,收放式上下无障碍通道,多工况的误操作安全保护与自动防翻系统。
  果实收获装备——“球形果柔性采摘机器人”、“细长瓜果柔性采摘机器人”和“葡萄串果柔性采摘机器人”:球形果柔性采摘机器人具有自主开发激光切割—柔顺夹持式末端执行器、自动真空吸持技术与新型真空发生系统、双目视觉系统。细长瓜果柔性采摘机器人具有自主开发伸缩—旋转多关节式机械臂、自主开发夹剪一体式末端执行器、轮式自主移动底盘、双目视觉系统。葡萄串果柔性采摘机器人具有新型RealSense识别—导航技术、剪叉式升降与少关节臂式结构、空中就近放果与回收技术、履带式全地形底盘、超轻小机身。
  现场转运装备——“果实自动分级接卸果运输车”:适用于温室、果园的果实现场分级、分类机械化运输,无需驾驶,实现人工或机械采收的自动跟随作业,多隔箱分类分级旋转放果(料)、箱门启闭、卸果全部自动化,可以实现菜农双手随采随放的自动分选运输,也可以和采摘机器人构成主—从协同作业系统,大大提高果菜收获作业效率。
  
勇于亮剑 挑战采摘机器人
  在采访中,刘继展谈得比较多的是采摘机器人。
  机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。而机器人化果蔬采摘被公认为最具挑战性的机器人技术之一,其研究更需要通过生物力学、优化设计、先进感知与智能控制等的高度融合来有力推动。
  我国是全球果蔬第一生产大国和消费大国,各主要果蔬品类产量均高居全球首位,以果蔬为主体的园艺业总产值占种植业总产值的45%,在江苏、山东等省份更高达70%,成为我国农业增收和出口创汇的核心产业。
  但同时,正如上文所提到的,我国果蔬以鲜食为主的特点极为鲜明,鲜食果蔬产量占总产量的85%以上。作为劳动密集型产业,各类水果、菜用果生产不仅管理环节众多,且大量套袋去袋、采收等作业需针对不同果实逐一实施,常规机械化作业方式完全无用武之地。
  目前我国果品生产中人工成本比例已高达50%,更主要集中在无法常规机械化作业的套袋去袋和采摘等环节上,其对人工的依赖已成为我国果品产业发展的巨大瓶颈。以葡萄为例,目前,葡萄的采摘主要依靠有经验的人工双手协作进行托扶和剪切,且极易碰伤、剪伤果粒,大大影响葡萄的品级和保质期。据统计,采摘季节劳动力成本高达每人每天160元以上,每亩的人工采收投入超过4000元。
  因此,以更加智慧化的机器人技术,尽快破解套袋、去袋、采收关键管理环节的“机器换人”问题,成为我国乃至全球果品产业持续、高效发展的关键。
  围绕采摘机器人,刘继展作为第一负责人和第二负责人,先后承担了5个国家基金项目以及省市的多项科研课题,十几年如一日倾力于相关的理论研究与应用开发,在采摘机器人基础理论研究与装备研发形成了鲜明特色并产生了重要影响,为推动该领域的发展做出了重要贡献。
  刘继展率先提出了机器人采摘中的夹持碰撞与快速无损收获问题,并在国家自然科学基金等项目的支持下,围绕“快速无损收获”主题形成了力学特性与互作规律、建模仿真、设计方法、样机开发、控制优化的技术体系,体现了采摘机器人研究的多学科高度融合特征,关于黏弹对象的夹持碰撞、植物体激光切割、真空吸持拉动的植株—果实响应、基于个体差异性的性能概率分布等研究,具有突出的创新性和重要价值。
  他在采访中透露:“目前,我们在进一步拓展无损采摘机器人的应用范围,从原有的番茄、柑橘等单果无损采摘,拓展到近五六年针对葡萄等串果的无损采摘,这里所说的‘无损’,包括了作业过程中的防止果粒脱落、防止果粒损伤,从原理上来说,就是从原有的动态流变特性互作规律基础上的进一步拓展,将力学与生理、生化进行结合,都在持续开展研究。”
  就在刘继展接受采访的前一天,他又承担起了新的科研项目——围绕葡萄的机器人化采摘和套袋作业,“多功能人形化机器人”的重大课题正式立项。他说:“希望通过更紧密的协同创新,来克服我们本身的一些知识结构上的不足,能够更快地推进人工智能和机器人的深度融合,实现采摘、套袋机器人技术从实验室阶段到服务于生产的重要跨越。”
  
科研路上不停歇 策马扬鞭勇奋蹄
  作为以农机起家、最早系统开展农机教育的高校,江苏大学是国内农业装备研究领域的“龙头”。从读研究生开始,刘继展就师从这个领域的两位知名专家——硕士和博士生导师李萍萍教授、合作导师及博士后导师毛罕平教授,一心扑在农业装备和农业机器人上,展开了相应的研究。在大团队的协作下,刘继展多次以项目主持人或合作主持人的身份,完成多项重要科研项目,获得过多种国家、省部级科技领域的奖励,奠定了自己在国内乃至国际上的学术地位。
  刘继展的科研之路愈走愈坚定,愈走愈自信,羽翼渐丰的他开始向更高的山峰挑战,承担起更多的重任。“在这个基础上,我和相关老师以及博士硕士研究生又着重围绕农业机器人和智慧农业装备这一块,形成了一个更紧密的小团队。”近年来,刘继展带领着自己的小团队在采摘机器人领域取得了丰硕的科研成果,并出版了46万字的专著《番茄采摘机器人快速无损作业研究》,这也是目前国内外在该领域唯一一部学术专著。
  在学术之路上永不满足的刘继展,计划在已经取得的成果基础上,进一步深化,更加注重协同创新。他邀请江苏大学计算机学院、深圳市智能机器人研究院和国家农业智能装备工程技术研究中心的专家加盟,组成学科更为广泛、研究更为深入的大团队。“未来的工作计划主要分为两个方面”,他说,一方面是将目前比较接近或已经投入农业生产的智慧装备尽快和企业结合,使产品更加人性化,作业效率与可靠性显著提高,逐步推向市场,使技术有所用。另一方面,在农业机器人领域,他希望提高科研能力,加快研发速度,多出科研成果,未来2至3年内,再有2至3部相关专著和产品级机器人样机问世,拥有发明专利数达到70项以上,填补更多的领域空白。
  刘继展对今后的道路充满信心:“我想,未来3年是我们要花大力气攻关的阶段,因为这将决定我们是不是能够上一个更高的台阶。”科
 
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