农业机器人崛起在田间

没有人浇水；没有人施肥；没有人打顶；通风、光照、湿度、温度全部交给机器人；每平方米足足出产114斤黄瓜；……一切来得太突然，中国几千年的传统种菜方式瞬间被颠覆。近日，腾讯在荷兰举行的国际人工智能种菜大赛上力压英特尔，捧回一个大奖，打响了国内AI农业的第一枪。腾讯的首个AI农业种植产品是黄瓜，和传统种植相比，AI种黄瓜最大的不同是整个过程几乎不需要人工操作。而且，产量足足是人工种植的5倍多。这些黄瓜质量稳定、形状统一，普遍为重375g以上的A级优质瓜，很快就抢售一空，最后一根还被开发团队做成了一道拍黄瓜。农业机器人的能力，人类远不能及。

人类自诞生以来，先后经历了原始采集农业、传统农业、化学农业、机械农业、工厂农业、智慧农业等发展阶段。农业的每一次进步都伴随着劳动生产率的大幅提升，正是农业生产效率的提升才养活了世界上越来越庞大的人口。但随着世界人口老龄化趋势日趋严重，全球农业正面临着巨大的劳动力短缺，据世界银行预计，到2050年，需要增加50%的粮食来维持日前增长的全球人口，平均每个农业劳力要能够生产出供应500人的粮食。全球农业人工作业成本不断攀升，为农业机器人的发展提供了充足动力。通过自动化和机器人技术，可以提升农业生产的产量和工作效率，缓解劳动力短缺的问题，同时可以减少农药使用对土壤、水源等自然环境的破坏。

目前，世界上农业较为发达的国家主要开发出了以下几类农业机器人。

除草机器人。这款机器人出自瑞士EcoRobotix公司，其主打产品为田间除草机器人，通过机器识别技术，可以准确识别出杂草，通过机械手臂对杂草进行除草剂喷洒，使除草剂使用量比传统方式减少了20倍。该机器人完全实现了自动化运行，而无需任何操作人员。由于以太阳能为动力，每天工作时长可达12小时。同时，该机器人只有130公斤重，远远轻于传统的农业机械设备，最大限度地减少了机械对土壤的破坏。

施肥机器人。美国明尼苏迭州一家农业机械公司研制出了一款独特的施肥机器人，它可以根据不同类型土壤的实际情况，制定不同的施肥策略。采取这种精确施肥技术，可以大大减少施肥量，既节约了农业成本，又减少了化肥对农田生态环境的污染。

打药机器人。爱尔兰农药喷洒技术公司MagGrow研发的这款农作物打药机器人，致力于解决农药喷洒过程中的药物漂移的问题。使用永久性稀土磁体产生电磁荷，对农药液滴进行磁化处理，使之更容易附着在作物上，可以达到85-95%的粘附率，减少65-75%的农药使用，并可以使作物产量提高20-40%。

授粉机器人。这款由美国公司研发的蜜蜂机器人，能够取代蜜蜂完成植物的授粉工作。另外，由于这种机器人续航能力强、体积小，可以应用到灾后的调查、搜救等工作当中。

放牧机器人。澳大利亚一家公司发明出了一种放牧机器人，其能在农场上代替传统的放牧劳力，它使用2D和3D感应器，且内置了全球定位系统，能自动检测牛群的运动速度并驱赶它们移动。

采摘机器人。由中国农业大学自主研发的黄瓜采摘机器人，这款机器人利用多传感器融合功能，对采摘对象进行信息获取、成熟度判别，并确定采摘对象的空间位置，能够实现在非结构环境下的自主导航运动、区域视野快速搜索、局部视野内果实成熟度特征识别、及果实空间定位、末端执行器控制与操作，最终实现黄瓜果实的采摘收获。

以上六类机器人只是农业机器人大家庭中的一小部分成员，农业机器人相比人工最大的优势是可以24小时不间断工作，而且基本上不会出现操作失误。缺点是目前首次购买成本还比较高，且需要定期保养维护。

在劳动力短缺、产业升级需求增长、前沿技术加快发展等多重因素影响下，农业机器人正加速拓展应用范围。如今，农业机器人不仅越发多元化、智能化，而且还推动了“无人农场”等新兴概念的实现，未来市场前景十分广阔。

农业耕作因其独特性，需要人们起早摸黑并忍受在泥土间劳作的脏累与艰辛。由于现代农业比过去只有播种、待农作物成熟再收割的农业模式更为复杂。针对农作物的不同状态、杀虫、除草、施肥的适当分量都需要依靠数据驱动去实行。随着近几年人工智能的飞速发展，人工智能与社会各行各业的结合进入到实质化应用阶段，比如在农业领域，智慧农业的发展正如火如荼，所谓“智慧农业”，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点(环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等)和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策。农业机器人正是凭借智慧农业的发展，运用GPS导航技术、传感技术和最新的机器人技术实现农业的精准定位、识别，并代替人类完成农业播种、施肥、灌溉、采摘、运输等人工劳动，进一步提高节约人力成本，提高农业生产效率。

因此，综合应用农业机器人等各种前沿科技，实现农场无人化已经成为一个新兴的发展方向。农业机器人的应用正愈发广泛，发挥其关键角色作用，以完成执行自动化、智能化的艰巨任务。目前，农业机器人已经能完成播种、种植、耕作、采摘、收割、除草、分选以及包装等工作，主要应用于无人驾驶拖拉机、无人机、物料管理、播种和森林管理、土壤管理、牧业管理和动物管理等。

无论是建设“智慧农业”还是助推农场无人机，农业机器人都是当之无愧的主角。农业机器人市场正在快速发展，大量成熟企业和初创企业正在开发、测试，或发布能执行各种任务的农业机器人系统。

农业机器人的主要应用领域包括无人驾驶拖拉机、无人机、物料管理、播种和森林管理、土壤管理、牧业管理和动物管理等。农业机器人需求增长主要是由于多种原因，包括人口增长、食物供应压力增加、农业劳动力减少、农田变化、气候变化、室内农业增长带来的竞争压力，以及农业自动化进程加速等。

农业机器人主要类别有：无人驾驶——拖拉机、联合收割机；无人机——植保无人机、遥感探测；田间管理——中耕除草、精准施药；作物收获——水果、蔬菜；温室管理——物流运输、自动控制；产后处理——分选、包装；动物管理——挤奶机器人等。当前产业程度较高的农业机器人应用案例包括自动驾驶拖拉机、挤奶机器人、植保施药无人机、遥控除草机器人和自主信息采集无人机等。预计未来5-10年内，农机自主导航和农用无人机将会迎来爆发期。据初步预测，农业机器人市场规模为2020年111亿美元，2025年308亿美元。

农业机器人产业前景虽好，但发展与普及的道路并不平坦，据业界分析，农业机器人的普及道路上还存在诸多瓶颈需要跨越。

一是农业机器人自身智能系统不够完善。农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产能力以适应复杂的非结构环境，例如辨识和避障能力等。

当下，研究专家们纷纷将研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面，力图解决农业机器人的智能问题。但总的来讲，农业机器人的智能系统发展还不够完善，农业机器人的智能程度还不能满足农业生产的需要，很多任务无法由农业机器人单独完成。

农业机器人是融合传感技术、自动控制、机器视觉等机器人和人工智能技术，使在非结构环境下作业的农业装备实现自动化、智能化。首先非结构环境下的信息获取是国际公认的难点问题；其次是作物信息、动植物生理生态感知传感器件研究进展缓慢；再者农业机器人发展需要依赖工业机器人技术，尤其是机电液压等硬件核心技术；最后是农业科技融合，即农业机器人与农艺适应性技术。

二是生产成本过高。目前研制出来的农业机器人大都只针对农业生产某一环节的某一项作业而言，农业生产的特征之一是季节性强，造成了农业机器人的使用效率低，间接地增加了农业机器人的成本。其性价比不能满足市场的需要，成为制约农业机器人商业化和进一步研究应用的瓶颈问题。

三是柔性生产与智能扩展能力有待提高。由于当前工业机器人局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构，而这种封闭式结构限制了农业机器人柔性生产能力和智能的扩展。独立设计专用机电系统的实现方式同样存在着扩展性、通用性差的问题，如果用采摘苹果的机器人采摘西瓜，从末端执行器、机械部分、控制部分到传感部分都要更换，相当于重新设计一个新的机器人系统。

农业机器人的问世，是现代农业机械发展的结果，是机器人技术和自动化技术发展的产物。农业机器人的出现和应用，改变了传统的农业劳动方式，促进了现代农业的发展。在新的农业生产模式和新技术的应用中，农业机器人作为新一代智能化的农业机械必将得到越来越广泛的应用。

四是使用条件依赖数据等软环境支持。在朝着机器人方向发展之前，也许农民们首先得接纳数字时代的来临以及精确农业的概念和实践。一直以来，农民购买新设备的两个主要考虑是灵活性和投资回报。精准农业不仅仅是花言巧语，事实上，它将实时情报输入分析软件，使之转化为有意义的实用信息，使农场管理者可以迅速做出反应。数据和分析过程都有成本，但在过去的几年里，由于大宗商品价格下跌，农民们的经济状况捉襟见肘。然而，随着技术进步加快，尤其是视觉系统、感知和抓取领域的发展，在已经高度自动化的农业领域，劳动力、水资源、大宗商品价格和政治的变化加快了对重度自动化的需求。

设备制造商——John Deere、AGCO (包括Massey Ferguson、Fendt Valtra和Challenger等品牌)、Claas、Argo 集团(包括Landini、McCormick和Valpadana等品牌）、Same Deutz Fahr集团（包括Same、兰博基尼、Hurlimann和Deutz等品牌）、CNH工业和日本Kubota公司，再加上Trimble、Raven和其它相关商业业务，都预计精确农业产品、软件、设备和实践被广为接受的进程是稳定而缓慢的。直到时机成熟，他们才会推动机器人进入这个过程。

虽然目前的需求增长缓慢，但是所有这些公司都在努力保持收益率。然而，他们提供的是帮助农民成为数字化精准农民的增量式解决方案，例如通过将把从农场的所有数据汇聚到软件应用程序平台上，做出本地化的农业方案决策。一旦农民开始使用他们的数据来做决定，他们就需要可变速机器来执行这些决定，这时候他们就需要使用机器人设备。

我国既是一个粮食大国，同时也是一个人口大国，对于粮食我国始终保持着旺盛的需求。特别是当前，在城镇化和人口老龄化趋势下，我国农村青年劳动力正在不断流失和减少。在这样的情况下，我国农业机器人也将拥有十分巨大的市场发展潜力。

我国农业机器人起步较晚，20世纪90年代中期，国内才开始了农业机器人技术的研发。目前我国已开发出的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。

前瞻产业研究院发布的《机器人行业产销需求预测与转型升级分析报告》指出，中国农业大学为中国大陆农业机器人技术早期研发单位之一，其研制的摘黄瓜机器人利用多传感器融合技术已成功进行了试验性嫁接生产，解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可用于黄瓜、西瓜、甜瓜等幼苗的嫁接，形成了具有自主知识产权的自动化嫁接技术。

随后北京农林科学院、南京农业大学、东北林业大学等其他高校和科研院所也相继开展了相关研究，并且随着中国工业化、城镇化和现代化的快速发展，我国农业机器人的研发范围亦在逐步扩大。农业用无人机也可以视作农业机器人的一个分支，且在国内已经有了更多的推广。以大疆、极飞、汉和为代表的厂商，在植保无人机领域已经经过了多年的研发与实践，逐渐形成了较为成熟的商业模式，目前正在稳步推广当中。

同工业机器人或者其他领域机器人相比，农业机器人工作环境多变，以非结构环境为主，工作任务具有极大的挑战性。因此，一般而言，农业机器人对智能化程度的要求要远高于其他领域机器人。而且与美国等广阔的大片平原相比，我国地形复杂，土地大块连成片的较少，这对机器人的适应性提出了更高的要求，相应地在成本和技术落地上就更为困难。这就使得我国农业机器人发展面临更多挑战、研发需要更大突破：一是不受地形影响的机械手，这种机器人不需要移动，受地形限制较小，但需要考虑作业对象的基本特征、力学特征、生理特征等因素；二是智能行走的农业机器人，这种机器人能够自动行走和作业，需要机器人具备独立路径规划、智能避障、精准探测定位和稳定的系统控制。

科技部在《服务机器人科技发展“十二五”专项规划》就明确提出把服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业。新一代人工智能中，智能农业作为七大领域之一包括：农业智能传感技术，智能装备，农田自主作业系统；建立完善天空地一体化智能农业遥感监测网络；建立典型农业智能决策分析系统；开展智能农场、智能牧场、智能渔场、智能果园、农产品加工智能车间、农产品绿色智能供应链等集成应用示范。罗锡文院士提出中国农业1.0至4.0并联发展。在中国，农业是从传统农业到智能化农业并存。“十三五”期间科技部”提出了智能农机发展路线，从三个层面、11个重点方向、47个研究任务布置。目前“智能农机装备”累计投入约9.8亿元。

农业农村部等多部委先后印发了《关于推进农业农村大数据发展的实施意见》、《农机装备发展行动方案（2016—2025）》、《“互联网+”现代农业三年行动实施方案》等系列文件，要求利用农业机器人等农业机械的有效供给能力，提升现代农业生产水平，促进我国从农机制造大国向农机制造强国转变。工信部也表示要加大对机器人产业的资金支持力度和政策扶持等，力争到2020年，形成较为完善的工业机器人产业体系；同时，中央部委及各地方政府也纷纷出台了机器人产业的鼓励政策。

而地方政府也十分看重对于农业智能制造产业的发展和支持，四川、湖北等不少地方纷纷举办全国性机器人大赛，签约农业机器人相关项目，补贴地方农机企业，来推动其地方的农业和机器人产业快速发展。近年各地争相上马布局的诸多机器人产业项目，产能开始逐步释放。全国已建成和在建的机器人产业园区超过40个，短短几年机器人企业数量就超过800家。浙江省发布了“机器人+”行动计划，到2020年，建设30个市级以上创新载体，大力推进机器人应用和产业发展。组织50个以上关键技术攻关项目和50个以上重发产业化项目，在役工业机器人拥有量打到10万台，制造业机器人密度达到120台/万人以上。萧山经济技术开发区管委会与金沙江联合资本合作合作成立萧山机器人小镇产业基金，总规模预计50亿元，第一期为10亿元，将重点投资及引进智能机器人、人工智能及高端装备制造等领域的优质项目。

农业机器人发展还进一步获得了互联网技术支撑，除了腾讯对农业的关注，2018年6月7日，阿里正式发布“ET农业大脑”，通过人工智能指导农民播种、施肥和耕作，进行智慧选址，针对不同品种的果树选择最适宜的水土环境。除了种植业，阿里ET农业大脑还迈出了人工智能养猪第一步。阿里云给每一头猪建立档案，包括品种、体重、进食情况、运动强度等等，通过这些数据，对猪的行为特征、料肉比进行分析，大大提高了养猪效率。

百度在农业的布局也早已展开，2018年9月，李彦宏召开ABC SUMMIT百度云智峰会。百度云携手国内龙头农企中化农业，展示出一个智能化农业生产管理平台，从连接、理解、唤醒三个层面推动智慧农业体系建立。

京东的农业之路虽然起步稍晚，但是发展却走在前列。目前，京东植物工厂已经落地，它推出的一套智能水耕技术，彻底颠覆了中国几千年的传统种菜形式，一块足球场大小的菜地实现了年产300吨蔬菜的奇迹。除了种菜，刘强东还成立京东农牧，推出人工智能养猪方案，第一个给猪刷脸，使用喂猪机器人、巡检机器人，极大地解放了猪农。