Дроны на полях

Дроны, то есть воздушные, наземные и водяные роботы, стали главным орудием войны. А что их ждет по ее окончании?

Иллюстрация Елены Станиковой

Батальная идиллия

Специальная военная операция полностью изменила тактику ведения боевых действий. Теперь нет прорывов танковыми клиньями, слабо работают бетонированные укрепрайоны, мало помогают окопы. Бронетехника не может даже добраться до передовой: солдаты выдвигаются либо пешим порядком и малыми группами, как правило, парами, либо на быстрых четырехколесных мотоциклах — багги; прячутся в норах, подвалах и делают этот так, чтобы не выдать своего присутствия, то есть тщательно маскируются. Почему? Потому что в небе, подобно страж-птицам Роберта Силверберга, летают роботы, дроны, беспилотные летательные аппараты, которые все примечают и, заподозрив наличие противника, либо устремляются в самоубийственный полет, либо сбрасывают на цель боеприпасы.

Дроны работают и днем и ночью: у них есть инфракрасное зрение; по тепловому следу от выкуренной сигареты могут найти спрятанный блиндаж, что уж говорить о технике, которую выдает тепло от двигателя. Бравые дроноводы, управляющие смертоносными птицами, могут со сноровкой ювелира провести дрон в блиндаж через неприметное отверстие, и тогда укрепление превратится в огненную ловушку. Интересно, что дроноводу вовсе не требуется быть на линии фронта: благодаря спутниковым технологиям он может находиться за тысячи километров. Главное, чтобы близко к месту событий были склад дронов и помощники, которые снабдят беспилотник боевой нагрузкой и отправят его в полет.

Число ежегодно собираемых и уничтожаемых в ходе войны дронов перевалило за миллион, их фурами отправляют на линию фронта, и верх берет та сторона, которая может ежедневно расходовать больше дронов. Дроны, управляемые по многокилометровому оптическому волокну, стали столь массовыми, что на горячих участках фронта сами собой сформировались необычные полосы препятствия — из тысяч спутанных оптических волокон от использования дронов. Ни человек, ни машина не могут пробраться через кусты, оплетенные оптоволоконной сетью.

Прогресс дроностроительства стремителен, а причина в том, что к нему прикладывает руки большая армия народных умельцев, придумывающих свое либо подгоняющих поставленные дроны под ежедневно меняющиеся условия их применения. Детали, напечатанные на 3D-принтере, манипуляторы для повышения эффективности сброса боеприпаса, спроектированные с нуля, самодельные контроллеры для систем управления — все это имеется на передовой. О скорости прогресса можно судить по одному факту: если всего два года назад массовые маленькие дроны, несущие одну гранату, один заряд, оперировали в полосе вдоль линии огня, то сейчас они свободно залетают в глубокий тыл, до 30 км. Люди, занятые дроностроительством, увлечены этим делом, что и обеспечивает дальнейший прогресс.

На фронте развивается не только летальная дронотехника, роботы приспосабливают для снабжения и эвакуации. Американские фантазии десятилетней давности в виде вертолета с манипуляторами, который как ангел-хранитель забирает раненого с поля боя, реализовать не удалось. Действительность оказалась гораздо проще: самобеглая тележка, управляемая оператором, которая подъезжает к раненому, и тот, зацепившись за нее, отправляется в тыл. Так пытаются решить очень важную проблему.

Сейчас раненый боец стал источником большой опасности для своих товарищей: чтобы оказать помощь и вынести его, нужно присылать эвакуационную команду из нескольких человек. Эта команда сразу становится целью для дронов, и тем самым идет увеличение потерь, порой в несколько раз. Робот-тележка позволяет их значительно уменьшить. Еще тележка доставляет на позиции еду, воду и боеприпасы. Впрочем, к снабжению привлекают и летающие дроны: груза они могут взять меньше, но способны добраться до гарнизона, все наземные пути к которому перерезаны дронами противника. У воздушных дронов есть еще и гуманитарная служба: они выступают в роли проводников, сопровождая сдающихся в плен. Зная в реальном времени обстановку благодаря дрону-наблюдателю, оператор посредством дрона-проводника показывает наиболее безопасную дорогу.

Идея народного дроностроительства приглянулась и криминальным структурами. Так, латиноамериканские наркокартели из подручных материалов делают безэкипажные суда, которые весьма незаметны и облегчают доставку смертоносного зелья по водным путям. Такие суда обходятся значительно дешевле, чем выполненные на военном заводе, однако функцию свою выполняют исправно. Более того, уже американские военные думают использовать дешевые морские дроны для снабжения гарнизонов на отдаленных островах. Помимо сокращения затрат, возрастает надежность: эскадра небольших судов, находящихся в полупогруженном положении, гораздо менее заметна, чем огромный транспортник. Да и вывести их из строя сложнее: эффективность поражения стандартными армейскими средствами в прямом смысле слова воспроизводит поговорку «из пушки по воробьям».

С поля на поля́

И вот тут возникает вопрос: а что станут делать бравые дроноводы и талантливые изобретатели-конструкторы после окончания боевых действий? Сейчас, когда на фронте не хватает дронов, а скорость развития соответствующих технологий столь велика, что буквально каждый месяц нужно придумывать нечто новое, вряд ли кто думает о грядущей демобилизации и конверсии предприятий, которые собирают дроны и делают комплектующие к ним. Однако это время неизбежно наступит. И если обществу окажется не нужным огромный опыт людей по разработке и управлению дронами, то возникнет плохая ситуация, когда интерес проявят криминальные элементы. Особенно если человек, умеющий управлять дроном, оказался инвалидом, то есть с ограниченными возможностями зарабатывать средства на безбедное существование. А тут вот оно — терминал спутниковой связи и дрон где-то на другом краю Земли. Предложение может оказаться заманчивым.

Какую же работу могло бы предложить общество? Это прежде всего сельское хозяйство. С одной стороны, оно испытывает сильный дефицит рабочей силы; ее замещают за счет миграции, что уже породило серьезные социальные проблемы. С другой стороны, разработкой агродронов специалисты занимаются давно, однако особого прогресса нет. Народное дроностроительство в этой сфере способно дать столь же мощный пинок развитию технологий, как это случилось в военной отрасли, надо лишь создать условия.

Очевидно, что роботизированное сельское хозяйство позволит одним махом решить множество проблем — от недостатка кадров для работы в поле до принципиального изменения самого образа жизни в деревне, воплощая в полной мере коммунистический тезис о стирании грани между ней и городом. И конечно, емкость рынка труда позволит предложить работу всем специалистам по работам с дронами, появившимися в результате СВО.

А как же сейчас выглядит ситуация с агродронами? Есть ощущение, что разработчики этой техники находятся в параллельной вселенной. В то время как практики на фронте используют сотни тысяч глупых роботов, которые прилагаются к оператору, теоретики, как правило, пытаются разрабатывать умные агророботы, оснащенные многочисленными датчиками и соответственно системой искусственного интеллекта, которая постоянно анализирует показания этих датчиков и на основе анализа предпринимает какие-то действия.

Различия между подходами очевидны. Глупый робот можно собрать из подручных материалов, в прямом смысле из тряпок и палок, как это делали исламисты во время Сирийской войны 2012–2016 годов. Поэтому он стоит дешево, а ввиду отсутствия мозгов не тратит на них энергию, то есть может на одной заправке переместиться дальше или выполнить больше полезной работы. У умного робота требования к материалам и комплектующим гораздо выше. Соответственно, он больше энергии расходует на свою жизнедеятельность в ущерб работе, а цена его не мала по определению.

Не удивительно, что дорогие умные агророботы существуют больше в рекламных буклетах, чем на полях. А глупые, наоборот, сумели совершить, так сказать, обратную конверсию — перейти с гражданской службы на военную. Например, именно такова история знаменитого дрона ВСУ, прозванного за ночные атаки «бабой-ягой». В оригинале это был сельскохозяйственный гексакоптер, предназначенный для обработки полей ядохимикатами, то есть с грузоподъемностью в несколько килограмм. С началом СВО началось массовое производство таких дронов, которые выполняют как боевые задачи, вроде установки мин или сброса мощных зарядов, так и гуманитарные — доставка провианта блокированным гарнизонам. Используют бабу-ягу и как дрономатку — обладая большой дальностью полета, она может доставить несколько маленьких дронов в глубокий тыл противника. При этом у бабы-яги нет особых мозгов; она ориентируется по вложенной карте либо по данным спутниковой навигации.

Несомненно, возникшее массовое производство таких тяжелых дронов будет весьма востребовано при конверсии для обработки полей ядохимикатами или точного внесения внекорневой подкормки. Впрочем, вряд ли такой дрон окажется в распоряжении обычного фермера. Очевидно, что работа с ним должна быть под контролем спецслужбы, предотвращающей террористические акты.

Другое детище войны, которое, несомненно, найдет применение на полях мирных фермеров и плантаторов, — наземный дрон типа самобеглая тележка. В простейшем варианте ее собирают из двух гироскутеров, ящика от снарядов, в котором крепятся аккумулятор с системой управления колесами и антенны для приема управляющего сигнала. Если оснастить тележку сонарами от системы парковки автомобиля, то безопасность работы повысится: она не станет наезжать на препятствие. Подобные тележки, исходно придуманные для эвакуации раненых с поля боя, прекрасно справятся с перевозками урожая от поля до склада. Ей, как и дрону-опрыскивателю, тоже не особенно нужны мозги, оператору достаточно один раз заложить в память маршрут движения.

Тележка, в сущности, это шасси, на которое можно поставить полезное оборудование. Например, если аккумулятор и двигатели колес достаточно мощные, к тележке можно пристроить плуг или косилку, и она станет освобождать междурядья от чрезмерно выросших сорняков. А можно использовать ее как дрономатку.

В этом случае к тележке с помощью кабелей присоединят летающие дроны, которые выполняют полезную работу вроде опрыскивания ядохимикатами и удобрениями. Выигрышей два. Во-первых, большая грузоподъемность тележки, а она вытаскивает раненого со снаряжением весом под 200 кг, позволяет использовать мощный аккумулятор, емкий бак с жидкостью для опрыскивания и достаточно мощную систему искусственного интеллекта для управления глупыми дронами. А во-вторых, такие совсем глупые летающие дроны, привязанные к тележке и неспособные нести большой груз, не должны вызывать беспокойства у спецслужб.

В эту компанию роботов, которые используют не совсем по назначению, можно добавить и малый дрон по кличке «мавик». Исходно он предназначен для панорамной видеосъемки. На фронте этот дрон приспособили для наблюдения за противником и сброса на его позиции малых зарядов: мавик поднимает одну ручную гранату. В сельском хозяйстве он способен вести мониторинг полей с воздуха, получая изображения в разных частотных диапазонах. Ну а отработанная система анализа космических или аэрофотоснимков определит, где и какой стресс претерпевают растения, чтобы подкормить, полить, прополоть, обработать от вредителей.

Такой прецизионный подход, когда работу делают именно тогда, когда надо, а не когда написано в календаре обработок, экономит время и силы за счет отказа от ненужной работы и, соответственно, лишнего расхода препаратов. Дрон-наблюдатель позволяет еще вести мониторинг потрав от диких животных, действий злоумышленников и служит помощником пастуха, показывая, куда расползлись его подопечные.

Человек против ИИ

А где же здесь оператор дрона? Он им управляет, и не важно, какой это дрон — летающий ли опрыскиватель, ползающий ли по земле пропольщик или сборщик урожая. Обстановка на поле постоянно меняется, и человеку гораздо проще направить дрон на верный путь, указав ему цель для обработки, чем придумывать сложную маршрутную программу и тратить энергетический ресурс робота на анализ обстановки. Например, вести дрон-опрыскиватель над рядами растений не сложнее, чем вести боевой дрон на цель. Работа у оператора одна и та же — смотреть на окрестности с помощью видеокамеры робота и двигать рычаг джойстика. Такому дрону требуется гораздо меньше мозгов, чем полностью автономному.

Если летающий дрон связан кабелем с тележкой-дрономаткой, ему вообще не нужны ни мозги, ни система приема-передачи радиосигнала. Обмен данными идет с дрономаткой, а она уж общается с оператором.

В чем тут выигрыш? В цене и расходе дефицитной энергии: чем меньше у дрона-манипулятора устройств, тем экономнее он выходит.

Что же касается непосредственно целевой задачи, то, как считается, никуда не денешься без внедрения искусственного интеллекта. Конечно, человек-пропольщик с тяпкой, даже не имея под рукой определителя растений, прекрасно знает, что такое сорняк и что с поля — вон, а человек-сборщик легко различает зрелый плод от незрелого, да и вообще плод от, скажем, листа. Не исключено, что оператор дрона-манипулятора также неплохо справится с прополкой и сбором урожая, причем сделает это не стоя в поле под палящим солнцем или проливным дождем, а сидя в комфортном кабинете.

Однако среди специалистов крепнет мнение, что робот, оснащенный ИИ, справится с заданием ничуть не хуже, но гораздо быстрее, чем это сделает тот, кого в недалеком будущем станут называть «кожаным мешком». Хотя пока что никто не устраивал соревнования между человеком, глупым дроном под управлением оператора и умным роботом с системой распознавания образов. Просто потому, что сами высокоспециализированные сельские роботы, хоть глупые, хоть умные, если и существуют, то только в виде отдельных экземпляров, которые в лучшем случае проходят опытные испытания в теплицах счастливых фермеров. Более того, пока что нет и четкого понимания, какой алгоритм машинного зрения нужно взять в качестве базового для опознания того объекта, с которым робот должен иметь дело.

Свежие исследования, впрочем, подсказывают, что эта проблема очень скоро будет решена во многом благодаря взрывному развитию самой технологии машинного зрения, которая нужна не столько для агродронов, сколько для оружия, оснащенного системой искусственного интеллекта. Однако в рамках конверсии хороший алгоритм легко осваивает гражданскую профессию. Ведь роботу все равно, что различать — боевой вездеход и мирный автомобиль на дороге или всходы осота и кукурузы на грядке. Суть работы одинакова: сравнение объектов на актуальном изображении с имеющимися шаблонами.

Электромеханический плуг-кусачки для прополки салата

Сорняки не устоят, может быть, в будущем

Самые неприятные полевые работы, то есть требующие больших затрат ручного труда и уносящие из кармана плантатора немало средств, это прополка и сбор урожая. Именно в этом направлении не одно десятилетие движутся создатели агродронов. Каждый год появляются какие-то улучшения, инженеры показывают единичные экземпляры прототипов роботов, но выходят ли они на поля из мастерских, не очень понятно. Причина в том, что слишком сложна задача распознавания образов и выполнения последующих действий манипулятором. Чтобы немного понять суть этих проблем, заглянем в несколько мастерских, где придумывают такие роботы и их компоненты.

Как уже было сказано, глупый робот может работать на поле, а вот слепой — точно нет. Хорошее зрение и система распознавания образов — та основа, с которой начинается разговор об автономном умном роботе для выполнения полевых работ. Впрочем, и неавтономному глупому эти системы нужны, чтобы точно выполнять задания оператора, который может лишь наметить цель настолько, насколько он ее разглядел. Поскольку речь идет о точности в миллиметры, решения на этом масштабе может принимать лишь сам робот, иначе процесс займет слишком много времени.

Как показали исследования, проведенные в поле, лучшие результаты по распознаванию сорняков дает перспективный алгоритм машинного зрения под названием YOLO (от англ. You Only Loоk Once, «Ты бросаешь лишь один взгляд»). Этот алгоритм предложили в 2015 году Джозеф Редмон и его коллеги из Университета штата Вашингтон, и он сразу же завоевал много симпатий благодаря своему быстродействию.

Суть его состоит в том, чтобы не анализировать изображение несколько раз, пересчитывая все возможные варианты, как это делают другие алгоритмы, а сразу же приступать к расчету и выполнять его за несколько проходов, постоянно сокращая объем вычислений. К 2025 году вышла уже 12-я версия алгоритма. Так вот, применение предыдущей, 11-й версии к задаче распознавания сорняков на грядке дало самую большую скорость работы и точность различения, например, ростков кукурузы или огурцов и сорных всходов: ошибка составила 2,5% при анализе 34 кадров в секунду.

Это обеспечивает скорость движения робота под 60 м/мин. Скажем, гектар плантации малины, а это 40 рядов по 100 метров, такой робот обработает примерно за трое суток. Не очень большая скорость, тяпкой один человек очистит эти грядки от сорняков за два рабочих дня. Однако при дефиците рабочей силы даже такой медлительный робот поможет решать проблему чистоты полей. Точность же в 2,5% вполне разумна, ведь сорняки уносят гораздо больше урожая — от 30 до 90%, чем случайно удаленное культурное растение.

Интересно, что для облегчения распознавания, то есть увеличения скорости движения робота, можно использовать цветовой контраст, когда цвет листьев культурных растений сильно отличается от цвета любых сорняков. У некоторых культур — капусты, горчицы, салата — это выходит естественным путем, коль скоро у них есть много сортов с красными и желтыми листьями. А для культур с зелеными листьями очень хороши генетические вставки для синтеза флуоресцентного белка. Тогда бы робот всегда отличал культурное растение по специфическому свечению и не тратил энергию и время на распознавание образов. Увы, борцы с трансгенщиной, конечно, не допустят этого.

После распознавания сорняк нужно удалить, для чего дрону приданы манипуляторы. Сейчас придумано уже три типа таких манипуляторов, и пока не ясно, какой из них работает эффективнее. Вот, например, механическое устройство, опробованное на модели робота для прополки грядок с салатом. Оно представляет собой нечто среднее между кусачками и плугом. Треугольные лезвия кусачек параллельны почве и погружены в нее на 3,5 см. В то время как робот перемещается над грядкой, пневматические приводы разводят лезвия и так обходят салат. А в промежутках между салатами они как плуг вспахивает почву, уничтожая сорняки.

Как оказалось, при малой плотности и малом возрасте сорняков устройство работает неплохо, а если их много, то часть сорняков вместе с почвой перемещалась к краям грядки, и там они выживали. В общем, над таким механическим манипулятором еще работать и работать.

Не исключено, что пригодится совсем другой принцип — не нож, а электротяпка, которая вытягивает из почвы корни довольно мощных сорняков с помощью вибраций. Сейчас прогрессивные огородники используют такие тяпки, и, по отзывам, они справляются с прополкой и рыхлением ничуть не хуже неэлектрифицированных. Ну а роботу электроинструмент ближе по определению.

Альтернативой электромеханическому пропольщику служит прецизионный опрыскиватель. Его принципиальная схема выглядит так. С помощью оптической системы робот, проходя над грядкой, разбивает ее на квадратики. И примечает, что расположено на том или ином квадратике. Если там голая почва или лист культурного растения, то робот ничего не делает. А если лист сорняка — прыскает на него дозу гербицида. Для этого после оптического блока на днище робота размещен блок из прецизионных опрыскивателей, у которых размер обрабатываемой площади совпадает с размером тех квадратиков, на которые разбивает грядку оптическая система, а подачей рабочего раствора управляют электрические вентили. Контроллер их открывает-закрывает в соответствии с данными от оптической системы.

Блок прецизионных опрыскивателей для химического робота-пропольщика. Ширина обрабатываемой полосы 12 см, а импульс опрыскивания длится 3 милисекунды

Точное внесение гербицида дает несколько преимуществ. Прежде всего — экономия и безопасность: большинство капель попадает именно туда, куда надо, то есть на сорняк, и не летит куда не надо — на культурное растение и почву, загрязняя их. Ну а коль скоро гербицид попадает только на сорняки, не нужно выдумывать специализированные композиции, которые не действуют на культурные растение; можно использовать гербициды сплошного действия вроде глифосата.

Опыты с таким роботом по химической прополке грядки с салатом показали, что весь алгоритм обработки работает неплохо. Из 513 сорняков под обработку попало 508, или 98%, из них слишком малую дозу получили только 10 растений, и они выжили. Также из 174 салатов под обработку попало восемь, но и через 10 дней они не погибли, то есть доза гербицида была незначительной.

Расположение растений салата и сорняков и разметка области обработки, на которой цифрой 0 помечены участки, не подлежащие опрыскиванию

Впрочем, все это проходило в лаборатории: на поле этот робот еще не выходил. А когда он появится, то конкуренты при честном соревновании не смогут ему противостоять. В отличие от других, химический пропольщик может успешно уничтожать злостные сорняки, обладающие протяженными корневищами, — сныть, осот, бодяк, пырей, крапиву и подобные. Гербицид, проникая через листья в корневище и оттуда в другой побег, может уничтожить целую корневищную колонию. Пусть не за один проход, но с этой трудной задачей удается справиться. А механический пропольщик максимум способен погубить вылезшие из земли побеги, причем на некотором расстоянии от культурного растения; корневище он разве что разрежет, чем ситуацию только ухудшит: деление корневищ — это способ размножения, а не уничтожения.

Третий способ уничтожения сорняков — это использование импульса концентрированной энергии: луча лазера или электроразряда. Такая технология применительно к роботу-пропольщику еще слабо отлажена. Впрочем, электроимпульс уже вошел в практику огородников: импульсные электрические удалители сорняков есть в магазинах. Лазерных нет и вряд ли будут, поскольку луч используемого лазера весьма мощный и при неосторожном обращении с ним может повредить глаза человеку или домашнему животному. Да и при осторожном то же, если на обрабатываемой почве лежит какой-то предмет, способный отражать луч света вроде осколка стекла или блестящего металла. А в промышленном агродроне лазер уместен: там, где он действует, присутствие людей и домашних животных не предполагается, ну а что касается насекомых, ящериц, лягушек, мышей — такова уж их судьба.

Пока что лазерный пропольщик даже близко не подъехал к полю. Инженеры только нащупывают верный тип лазера и его мощность. Тут есть два подхода: испепелить листья и побеги поверхностным нагревом или запечь изнутри лучом такого лазера, который проникает сквозь ткани. По ходу пьесы у некоторых сорняков надо отсечь листья, чтобы луч имел непосредственный доступ к ростовой почке. Хорошо, если она лежит выше поверхности почвы: при ее уничтожении сорняк погибнет. А если есть почки ниже, он выживет и даст новые побеги, которые потом так же придется уничтожать.

Оптимум обработки пока не найден, но уже понятно, что при разумной мощности лазера пропольщик справится с совсем юными сорняками, пустившими два-три, а лучше один лист. Убить растение на этой стадии роста — верное решение; мощность фотосинтеза еще мала и корень или корневище больше расходуют свои питательные вещества, чем получают их от наземной части. За два-три прохода с испепелением отросших листьев и побегов удается истощить корневище до такой степени, что погибает даже злостный сорняк вроде пырея ползучего.

Опыты идут в основном с тулиевым лазером мощностью в 50 Вт, и они показывают, что на уничтожение надземной части одного растения нужно 800 милисекунд. При средней плотности 300 сорняков на квадратный метр очистка этого метра займет 4 минуты. Если считать, что ширина грядки 60 см, то, выходит, скорость обработки 24 м/ч. То есть упомянутую выше плантацию из 40 грядок по 100 метров лазерный пропольщик пройдет за 7 суток. Поскольку недобитые сорняки отрастают, для их полного искоренения или хотя бы для того, чтобы культурные растения успели вырасти и забить остатки сорняка, робот должен непрерывно ползать по этой плантации чуть ли не месяц.

Наверное, его служба обойдется плантатору довольно дорого с учетом расхода энергии и технического обслуживания. Не исключено, что скорость можно увеличить, подняв мощность лазера до 500 Вт (лазеры мощностью 500 Вт–2 кВт применяют для резки листов металла), но при этом не ясно, какой аккумулятор нужен роботу для длительной работы. Похоже, без водородного топливного элемента тут не обойтись.

Впрочем, игра с лазерным роботом может вполне стоить свеч. Неизбывный недостаток и механического, и химического пропольщика в том, что они не могут убрать сорняк, укоренившийся в непосредственной близости от культурного растения, разве что это побег, идущий от корневища, выжигаемого гербицидом. А навести тонкий луч лазера в нужную точку — дело хорошо разработанной техники, главное точно рассчитать координаты этой точки.

Кроме того, система управления лазером гораздо гибче и требует меньше энергии, чем управление механическим манипулятором. Все делается с помощью зеркал, то есть нет никаких силовых узлов вроде ножа, который должен преодолевать сопротивление почвы и растения. А перед химическим пропольщиком важным преимуществом оказывается экологичность. Дело в том, что, например, в ЕС в 2030 году собираются ввести серьезные ограничения на использование гербицидов, а то и вовсе запретить глифосат и подобные гербициды сплошного действия. В этом случае пользы от химического пропольщика будет значительно меньше. Ну и, конечно же, не стоит забывать про органическое земледелие, где ядохимикаты запрещены по определению, а подкормка золой приветствуется.

Робот аккуратно берет клубнику за черешок, отрезает его от куста и кладет неповрежденную ягоду в коробку

Многорукая Дурга на плантации

В книге про габровцев есть такой анекдот. Путешествуя по Индии, габровец зашел в храм и увидел многорукую статую Дурги. «Эх, мне бы такую супругу, — подумал габровец. — Я бы всю прислугу рассчитал». Аналогичные мысли, рассчитать бы их всех и больше никогда не видеть, возникают у любого плантатора при расплате с временными рабочими, занятыми сбором урожая. Это ведь такая же тяжелая, и главное, сезонная работа, как и прополка. То есть для ее выполнения нужно откуда-то приглашать рабочих, которые потом должны куда-то исчезнуть, ведь большую часть года нет объекта их труда. При этом для некоторых культур именно сбор урожая составляет более половины затрат на содержание плантации. Так что поле деятельности для создателей агророботов здесь обширное. И очень увлекательное.

Если сорняки, в сущности, одинаковы, то плоды и ягоды все разные, каждая из разновидностей не только выглядит по-другому, но еще и по-разному крепится к ветке, побегу, лозе, кусту. То есть для каждой культуры надо разрабатывать по меньшей мере свой тип манипулятора, не говоря уже про алгоритмы различения плода на фоне листьев и способа его отделения. Манипулятор должен добраться до плода, не поломав листья, стебли, ветви, взять его так аккуратно, чтобы не повредить, и оторвать, открутить, отрезать. И опять это надо сделать точно, иначе в месте, где плод крепился к побегу, будет рана. Важнейшая задача — отличить зрелый плод от незрелого. Как оказывается, одного различения по цвету тут бывает мало, нужны еще и тактильные ощущения; в этом случае манипулятору нужны чувствительные датчики давления для измерения мягкости объекта.

Кроме того, есть небольшая, но очень важная проблема отладки технологии. Если сорняки можно вырастить в лаборатории и там быстро корректировать алгоритмы и манипуляторы, то ягодные кусты, а тем более плодовые деревья приходится изучать в поле, где они дают урожай раз в год. Значит, и испытания можно провести раз в год, что сильно затягивает создание роботов-сборщиков.

Хорошо, если культуру выращивают круглый год и в теплице, но это возможно не для всех культур. И совсем не случайно так вышло, что наиболее близко к коммерческому внедрения подошли роботы-сборщики для закрытого грунта. При этом, как ни странно, лидерами оказались не машины для сбора распространенных овощей вроде салата, огурцов, помидоров, сладкого перца. Нет, это роботы для сбора клубники. Видимо, причина в том, что современные тепличные комплексы по выращиванию клубники совершенно не похожи на знакомые всем грядки.

Клубника в теплицах сидит на высоких полках под искусственным светом, а между рядами проложены рельсы для движения всевозможных тележек. Ягоды растут на длинных плодоножках, и все они свисают с краев полки. Роботу остается только опознать спелые, взяться за плодоножку, отсечь от куста и аккуратно, не касаясь ягоды, перенести ее в коробку. Уже существуют многорукие роботы, подобные Дурге, которые по скорости сбора клубники превосходят человека.

Казалось бы, аналогичным способом можно работать с огурцами и помидорами, в сущности, тоже ягодами на более-менее длинном черенке. Но там, видимо, мешают листья и побеги, которые закрывают многие плоды от манипулятора и видеокамеры. Инженерам приходится бороться с этим препятствием, совершенствуя системы зрения и искусственного интеллекта. Современные роботы способны по видимому кусочку огурца рассчитать, где он крепится к кусту, и направить манипулятор примерно в эту точку.

Впрочем, решение состоит не в улучшении робота, а в совершенствовании растения. Его нужно выращивать в виде, пригодном для автоматизированного сбора урожая, не допуская роста лишних побегов и листьев или при необходимости удаляя их перед сбором урожая с помощью того же робота, но с другим манипулятором. Понятно, что все это удобнее делать в теплице, где условия полностью контролируемые.

В поле же требованиям автоматизированной уборки лучше всего отвечают пальметные сады с карликовыми растениями, например яблонями. В них кроны деревьев формируют в виде плоскости вдоль ряда. Яблок на каждом дереве немного, они хорошо освещены, получаются крупными, одинакового размера и созревают одновременно. В таком саду многорукий робот едет по ряду, опознает яблоко, выдвигает трехпалую руку и легко срывает его, отправляя в транспортер на сортировку. В сущности, длинные руки из насадки с тремя стальным обрезиненными пальцами, которая надета на палку, а пальцы расходятся, если потянуть за веревочку, садоводы применяют издавна, но вот теперь это старинное устройство вошло в состав перспективного робота.

Многорукий робот для сбора яблок в пальметном саду. Заявленная скорость — 10 тысяч яблок в час. Человеку за таким роботом уже не угнаться

Бережно беремся за ягоду и…

А как проектируют такие роботы? Возьмем в качестве примера уникального робота, предназначенного для сбора малины. Уникальность его в том, что ягоду этого растения не получается сорвать, открутить или отрезать — ее нужно без повреждения снять с плодоложа. Это если ягода спелая. Неспелая ягода от плодоложа не отделяется, а переспелая при малейшем надавливании даст сок. Не удивительно, что инженеры неохотно берутся за создание робота малиновых плантаций. Однако некоторые решаются и даже добиваются успеха.

Чтобы запрограммировать контроллер робота, пришлось сделать искусственную ягоду. Оболочку сформировали из мягкого силикона. Под ней была проложена трубочка, заполненная жидкостью. Ее соединили с датчиком, который измерял давление на ягоду. А крепилась ягода к плодоложу с помощью магнитов: один был вделан в вершину ягоды, а второй — в плодоложе; этот магнит можно было передвигать регулировочным винтом и так менять силу крепления.

Искусственная ягода малины и ее строение

Человек несколько раз срывал макет ягоды, при этом фиксировались прикладываемые усилия, которые должны были соответствовать разной степени ее зрелости. Затем эти усилия систематизировали и запрограммировали в контроллере три варианта, отвечающих ягодам разной зрелости. После этого на том же макете стали отлаживать манипулятор робота и силу его захвата. А затем уже перешли к полевым испытаниям. Точнее, полуполевым — в лаборатории поставили горшки с кустами малины, на которых имелись ягоды разной степени зрелости.

Робот самостоятельно определял положение ягоды и ее ориентацию, обхватывал ее, снимал и клал в коробку. Пусть и не с первой попытки, но он собрал 75% ягод, остальные оказались недоступны из-за листьев. При этом 60% были не повреждены, 20% немного помялись, а 12% разорвались, так как робот не смог почувствовать момент отделения ягоды от плодоложа. Остальные были незрелыми, и в рамках разрешенных усилий их оторвать не удалось. Конечно, над таким роботом еще работать и работать, ведь сборщик малины пока все-таки пропускает 10% ягод. Вообще, глядя на видео испытаний робота, возникает мысль: если бы оператор указывал ему на спелые ягоды, дело пошло значительно быстрее. В целом же роботы-сборщики пока что не могут похвастаться совершенством, особенно при работе в открытом поле и на культурах, которые не готовили специально. У них и скорость сбора, как правило, меньше, чем у человека, и точность определения не оптимальна — много плодов оказывается не собранными, и порой приходится вслед за роботом пускать человека. Да и плоды они слишком часто и сильно повреждают, нанося плантатору убытки. А ведь привлекательным робот будет, если его цена и стоимость обслуживания сравнимы с годовой заработной платой наемного рабочего. Этого пока что в поле достичь не удается. В теплице — другое дело: урожай собирают круглый год, годовые затраты на рабочую силу больше в несколько раз и экономическая привлекательность замены людей роботом выше.

Робот примеривается, как поудобнее снять ягоду малины

Поэтому все надежды на конверсию военной робототехники, которая обеспечит массовое производство компонентов агророботов и, соответственно, качественное снижение цены на них. Ну и, конечно же, на заинтересованных инвесторов. Как бы то ни было, мировой рынок сельскохозяйственных роботов в 2025 году оценивают в 8 млрд долларов, при этом почти половину занимают летающие дроны для опрыскивания полей, точного внесения удобрения и наблюдения за растениями. Остальное, примерно поровну, делят системы автоматизации теплиц, животноводческих ферм и роботы-тракторы.

Высокоинтеллектуальные роботы вроде пропольщиков, сборщиков, сортировщиков продукции пока что незаметны на фоне остальных. Но, несомненно, стремительный рост их доли — дело ближайшего будущего. Особенно с учетом появившейся повсеместно тенденции ужесточения миграционного законодательства и роста стоимости приезжей рабочей силы. Не секрет, что именно мигранты из бедных стран составляют основную долю рабочих, занятых на селе в развитых странах. Роботы призваны их заменить.

Кандидат физико-математических наук
С.М. Комаров