Специалисты из Корнеллского университета разработали новаторский подход к определению спелости фруктов, выходящий за рамки визуальной оценки и обоняния. В качестве ключевого показателя они выбрали тактильные ощущения. Для этого были созданы роботизированные захваты, оснащенные гибкими оптоволоконными датчиками. Эти устройства способны нежно определять степень зрелости клубники на ощупь, а затем бережно отделять ягоду от растения, не причиняя ей вреда.
Разработка, осуществленная под руководством профессора машиностроения Роба Шепарда, открывает новые перспективы для создания более экологичных и устойчивых систем продовольственного производства. Технология может повысить доступность деликатных фруктов, выращивание которых традиционно связано с рядом сложностей. Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature Communications, а ведущим соавтором выступил Ананд Мишра.
Ранее лаборатория Шепарда уже демонстрировала потенциал эластичных оптоволоконных датчиков в создании гибких робототехнических систем. Эти сенсоры позволяют роботам воспринимать мир через тактильные ощущения, аналогичные человеческим. В последнее время команда активно применяет свои разработки в сельском хозяйстве, создавая, например, роботизированный захват, способный вживлять датчики в листья растений для лучшего взаимодействия с окружающей средой.
Совместно с профессором садоводства Марвином Приттсом, специализирующимся на устойчивых методах выращивания ягод, команда Шепарда работала над механизмами бережного обращения с фруктами. В качестве объекта для обучения и тестирования был выбран именно клубничный урожай.
«Цвет является надежным индикатором спелости клубники, — поясняет Шепард. — Мы смогли обучить нашу систему распознавать спелость по тактильным ощущениям, а затем подтверждать это визуально. Ананд же мог точно определить оптимальное время сбора, оценивая упругость ягоды».
Мягкость робота-захвата соответствует ощущениям, которые он воспроизводит. Два оптоволоконных датчика, расположенные на пальцах захвата, измеряют кривизну и давление, позволяя роботу анализировать форму объекта и адаптировать силу сжатия для аккуратного захвата спелых плодов.
«Волоконно-оптические тензометрические датчики обладают теми же механическими свойствами, что и сам захват. Таким образом, ощущение плода исходит от всей конструкции, а не только от отдельных сенсоров, — отмечает Шепард. — Для обеспечения деликатного отделения плода от стебля робот оснащен планетарным редуктором, позволяющим вращать запястье. Это предотвращает выдергивание или срыв, которые могут повредить ягоду».
В дополнение к тактильному восприятию, на ладони робота размещена камера, помогающая обнаруживать фрукты, скрытые под листьями. Однако основная ценность технологии проявляется в случаях, когда спелость плодов трудно определить визуально, например, при сборе авокадо, ананасов или папайи — любимого фрукта Шепарда.
«С папайей сложность заключается в том, что ее спелость трудно уловить, а зреет она очень быстро, — говорит он. — Более того, она плохо переносит транспортировку, из-за чего редко встречается в магазинах. Наша технология может решить эти проблемы, обеспечив более эффективный сбор».
Эта разработка также имеет значительный потенциал для развития устойчивого сельского хозяйства.
«Роботы позволят нам заниматься тем, что ранее было экономически нецелесообразно. Мы выращиваем культуры, которые хорошо подходят для существующих машин. С появлением небольших, универсальных роботов мы сможем культивировать смешанные посадки из разных видов, взаимно дополняющих друг друга, — объясняет Шепард. — Вместо монокультур, таких как соя или кукуруза, можно будет высаживать их вместе или использовать чередование культур. Это также позволит внедрять растения, устойчивые к вредителям, что снизит потребность в пестицидах и удобрениях, а засухоустойчивые виды обеспечат стабильность урожая».
«Управление такой фермой — чрезвычайно сложная задача, — заключает он, — и роботы могут стать ключевым инструментом для ее решения».
