番茄采摘机器人

核心提示

2025年中央一号文件提出,推动农机装备高质量发展,加快国产先进适用农机装备等研发应用。

提升农机装备水平,是农业现代化的必然要求。目前,全国农作物耕种收综合机械化率超过75%,小麦、玉米、水稻三大主粮基本实现全程机械化。但从全局看,农业机械化依然存在结构性“短板”,突出表现在丘陵山区适用小型机械不足,果树、蔬菜等特色产业机械化水平远低于大田作物,部分作物种植、收获等关键环节面临“无机可用”“有机难用”等难题。

近年来,福建立足“八山一水一分田”省情农情,深入开展农作物全程机械化行动,聚焦重点农作物和薄弱环节,围绕产、学、研、推、用融合,着力推进农机装备补短板,积极拥抱数字化、智慧化,取得明显成效。

在众多亟待提升农业机械化率的领域,蔬菜生产的机械化率提升尤为关键。 农谚有云:“一亩园,十亩田。”这有两层含义:菜园精耕细作,单位面积经济效益远超大田;与之相对应的是,蔬菜生产需要更高的技术要求,同时蔬菜生产“用工难”“用工贵”等问题突出。可见,蔬菜产业亟待一场节本增效的生产力变革,这绕不开机械化。

福建人的生活,离不开菜。在消费端,福州人常说“三天不见青,两眼冒金星”,这里的“青”指的就是空心菜、菠菜等绿叶菜;在生产端,蔬菜是全省种植面积第二、产量第一的农作物。福建还是我国冬春蔬菜优势产区、蔬菜出口大省和“南菜北运”核心基地之一。

然而,多山少田,地块小而分散,“耕牛能进,‘铁牛’难进”;蔬菜种类纷繁复杂,种植习惯千差万别,适用农机具匹配难度大……种种掣肘下,福建和全国一样,蔬菜生产机械化水平远低于粮食作物。随着农机装备补短板行动的推进,这一局面正悄然发生改变。2024年,全省蔬菜生产综合机械化率约40%,比2020年提升了10个百分点。

东南网7月24日报道（福建日报记者 张辉 戴敏）

“机”不可失

每次遇到老朋友钟凤林,毛起龙都要感谢对方“骂”醒了自己。

毛起龙是闽清县东桥镇湖洋村的蔬菜种植大户,种了120亩青梗菜——福州人常说的小白菜、花瓶菜。几年前,福建农林大学园艺学院副院长、教授钟凤林因推广新品种与毛起龙结识。其间,钟凤林发现,当地青梗菜播种用的还是粗放的人工撒播方式。

“一把种子撒一片地,看起来省工省力,实则更费时费钱。”钟凤林说,撒胡椒面式播种,用种量往往宁多勿缺。因此,出苗后必须人工间苗,以保证合理密度。人工成本高昂不说,苗与苗之间根系相连,拔除过密的菜苗时难免伤及无辜。被误伤的菜苗要恢复长势,短则三五天,长则一周以上。行情不等人,特别是像青梗菜这样的短生育期蔬菜,晚上市几天就可能“菜金”变“菜土”。

钟凤林的老本行是蔬菜遗传育种,但常年与菜农打交道的经历,让他意识到蔬菜生产机械化转型的急迫性。时至今日,他还常常在课堂上与学生分享10多年前在晋江市开展科技服务时的见闻。

晋江是全国最大的冬春胡萝卜生产和出口基地,主栽品种是从日本引进的“坂田七寸”。洋种子曾经一粒难求,一罐种子售价一度超过1万元,只能播种不到3亩地。种子这么贵,自然不能无序撒播,需要人工点播。每年9月播种季,一些大户都要请来亲戚朋友助阵,目的不是帮工,而是监工——毕竟,浪费一把种子就是数千元损失。

把种植成本降下来,一靠国产化,二靠机械化。

不过,当时市面上还没有胡萝卜专用的播种机。钟凤林开始跨界探索,一开始引进豆类滚筒式播种机,通过滚筒上密密麻麻的气孔吸附种子。但胡萝卜种子比针眼还小,显然不能通用。为此,他找来医药专家,借鉴药丸生产工艺,对胡萝卜种子进行丸粒化处理,裹上包含杀菌剂、肥料等成分的包衣,既增大种子体积,又提高其发芽率;找来机械专家,改良滚筒排种器,解决了播种机容易卡种等难题。

第一台小型半自动滚筒式胡萝卜专用播种机诞生了,作业效率比人工点播提升了数倍,用种成本也显著下降。一开始农民不爱用、不敢用,后来农民主动购买,再到后来买种子送播种机,晋江胡萝卜播种逐步实现了机器换工。以此为起点,钟凤林开始将目光投向了更多蔬菜种类与生产环节。

与胡萝卜相比,青梗菜实现播种机械化更容易。不过,毛起龙略显固执,一开始坚信经验比机器更可靠。眼看怎么苦口婆心劝说都改变不了对方根深蒂固的老观念,钟凤林索性自费为他购置了一台蔬菜播种机。

实打实的效果的确更有说服力:机播替代人工撒播,足足节省了三分之二用种量;播种过程精准可控,不再需要后期大规模间苗,节省了大量劳动力投入。要知道,当前青梗菜生产过程,最贵的就是人工,在闽清,一天用工成本至少200元。算下来,种植一茬青梗菜,就能节省上千元成本。这还没有包括省去间苗环节让青梗菜提前上市所带来的增益。

接受了这场机械化启蒙后,毛起龙期盼:“什么时候蔬菜生产能够实现全程机械化?”

难中寻“机”

这也是全行业的呼唤。

早前在惠安县举办的全国露地蔬菜生产全程机械化技术装备培训班上,中国农业科学院蔬菜花卉研究所所长张友军分享了几组数据——

全国蔬菜(含马铃薯)常年种植面积超4亿亩,以10%的面积创造了种植业40%的产值;在我国食物消费结构中,蔬菜占41%,中国14亿人口,每天就要吃掉192万吨蔬菜。

与产业体量、消费需求不相匹配的是,全国蔬菜生产综合机械化率仅约42%,比大田作物低30个百分点以上。其中,露地蔬菜移栽、采收环节尤其薄弱,机械化率不足30%。在农村青壮劳动力日益紧缺的大背景下,蔬菜生产劳动强度大、效率低、成本高等问题日益凸显。目前,在我国蔬菜生产过程中,人工成本占总成本的58%,且逐年增加。

“从福建来看,全省蔬菜种类多,地区间种植习惯差异较大,从耕整地到播种、移栽、收获都缺少统一的种植模式,导致农机产品通用性差。与大田作物相比,由于蔬菜单一种植面积小,对农机具需求量不足,蔬菜生产机械的研发和推广难度更大。”福建省农业机械推广总站副站长林志强说。

以福建胡萝卜为例,这一问题更为直观。如果对比南北方胡萝卜种植模式,就会发现一个有趣的现象:北方地区多为一垄一行,福建则为一垄四行。

“这是土地资源条件决定的。”福建省农业机械推广总站高级工程师陈凌霄说,在闽南地区,一亩土地的流转成本高达每年上千元。土地少、租金贵,自然要地尽其用,通过高度密植提高亩均效益,但独特的农艺也带来了农机适配难题。

近年来,晋江、石狮等地相继从德国、日本引进了多款机具,破解了胡萝卜收获环节“无机可用”难题。但这些收获机均基于一垄一行、一垄两行等主流种植模式设计,到了福建就显得水土不服。此外,福建胡萝卜收获时习惯留缨,也就是保留大约两指长的茎叶,在卖相上显得更新鲜诱人。但现有胡萝卜收获机作业时,通常齐头切断茎叶,不作留缨处理。

解决农机适配难题,有两种思路。一是改农机,从业者曾向厂商提出技术需求,但开模费用高昂,动辄数百万元;二是改农艺,钟凤林团队正在试验调整胡萝卜种植行数、行距,以适应现有收获机具,但这带来的或是亩产的减少,农民一时难以接受。

福建“八山一水一分田”的地形,导致农田“耕牛能进,‘铁牛’难进”。林志强说,在福建,坡度6到15度的耕地占全省耕地总面积的26%,15度以上的占15%,“现有农机具机型普遍较大,福建多数耕地难以通行大型机械;即便是中小型机械,面对耕地分散、丘块大小高低不一的情况,也是下田难、作业难、效果差”。

抢抓“机”遇

让更多“铁牛”进菜园,关键在于因地制宜补短板。

福建的短板在哪里?从蔬菜种类看,叶菜类、胡萝卜、毛豆等生产机械化水平较高,茄果类、瓜果类等生产机械化水平较低;从生产环节看,耕整地、育苗、灌溉、植保等已基本实现机械化,移栽、收获等相对薄弱;从研发生产能力看,省内农机企业的产品集中于耕整地、水肥一体化、轨道运输等,鲜有企业涉足移栽、收获类机具。

短板,逐块补齐;堵点,逐个打通。

“近年来,我们聚焦重点作物、重点环节,围绕产、学、研、推、用融合,从研发端、推广端、服务端三重发力,积极开展蔬菜新机具、新技术引进、研发、试验、示范和推广。”林志强说,从耕整地、育苗、移栽到植保、灌溉、收获,再到运输、初加工,蔬菜生产全程机械化不断实现新突破。

最近,福建省机械科学研究院高级工程师陈声佩忙着优化自主研制的叶菜有序收获机。两年以来,这款机具已迭代到第三代样机,即将进入成熟化阶段。

何为有序收获?简而言之,蔬菜收获后,要整整齐齐码放在一起。对于菠菜、空心菜、芹菜这样的长秆叶菜,有序收获尤为重要。试想,如果它们是一团乱麻,就必须人工二次整理,以保证卖相。而要把纠缠在一起的茎秆扯开,耗工费时不说,还极容易造成长秆叶菜损伤,不利于储运销售。

长期以来,这类叶菜收获无机可用,高度依赖人工。瞄准痛点后,陈声佩依托省里农业科技项目,开展叶菜专用有序收获机具研发。

其实,叶菜收获机整体构造并不复杂:将菜整根夹起后,通过喂入口导入传送带,最后落入收集筐。但要实现有序收获,就有讲究了。最难的是输送过程,既要有力夹持住菜的茎秆,保证其同一姿态,又不能用力过猛,避免产生损伤。陈声佩几易方案,都不能两全其美,最后突发奇想——用气囊。原理很好理解,想象两个气球之间夹着一棵菜,既夹得紧又不易夹伤。更巧妙的是,通过调整充气量,还能适应不同个头的叶菜。

“一个小时可以收获1亩到1.5亩叶菜,相当于20人的作业量。”陈声佩说。这款机具的另一个亮点是,收获过程连根拔起而非切割,可实现带根收获。毕竟,福建人吃菠菜,总爱保留一段甘甜的根部。

这款填补了技术空白的产品,正是福建推进蔬菜生产全程机械化的最新成果之一。除此以外,蔬菜高效移栽机、胡萝卜收获机、串收番茄病害识别机器人、番茄采摘机器人等“福建制造”,也都有了样机,补齐了各个薄弱环节短板,很快将进入试验示范和推广应用阶段。

有“机”融合

如何让机器学会像人一样采收番茄?这是钟凤林近年研究的新课题。

像番茄这样的茄果类蔬菜,通常是渐次成熟,同一植株上挂的果有生有熟。因此,机器首先要学会分辨果实成熟度,这就需要构建一个人工智能大模型。

一开始,人工智能还是个什么都不会的“小白”,需要人工投喂大量学习资料。人们在大棚内拍摄数以万计的番茄高清照片,数据标注师逐一拉框,为画面中的每一粒果实标注成熟度。一般来说,番茄果实按照生长周期,可以分为绿熟期、转色期、成熟期、完熟期。随后,人工智能进入深度学习阶段,自主从海量图像中归纳总结——为什么这样的果实属于绿熟期,不能采摘;为什么那样的果实已经到了完熟期,可以采摘。

大模型加持,采摘机器人就拥有了智慧大脑,可以在番茄大棚内,在摄像头、雷达等传感器帮助下,自由穿梭,精准避障,像人类一样识别已成熟的果实。但现实世界纷繁复杂,番茄植株上枝蔓交错,风吹草动难以避免。机械手如何精准触达目标位置,剪切时如何避免误伤果串边上的其他枝蔓,都考验自身智能的硬功夫。

目前,钟凤林团队研发的这款采摘机器人已初具雏形。基于超十万张照片的训练量,大模型对番茄成熟度的判别准确率达到90%以上。与此同时,团队还在持续研发另一款番茄病害识别机器人。过去,发现番茄病害往往要等到株叶出现明显病斑时,具有滞后性。这款机器人不仅长有一双“火眼金睛”,还具有“未卜先知”的能力——通过高光谱分析,透视番茄植株内在细微变化,结合相关数据库,做出病害早期诊断,帮助种植户提前干预,减少损失。

如果说机械化是现代农业发展的上半场,智慧化无疑是至关重要的下半场。福建蔬菜产业一方面立足当下,补齐机械化短板;另一方面着眼未来,拥抱智慧化新浪潮。

钟凤林认为,只有将信息技术、生物技术、现代工程技术、现代经验管理知识与农学有机融合,才能适应现代农业发展需求。

推进蔬菜生产全程机械化,融合是绕不开的话题。林志强认为,这不仅需要农机装备创新,还需要多部门、多学科、多环节协同配合。

自走式杀秧机

双轨自走式喷灌机

胡萝卜收获机

福建省机械科学研究院研发的叶菜有序收获机

自走式喷杆喷雾机

本版图片均由福建省农业机械推广总站提供