Роботы и яблоки

Почему яблоки так сложно собирать

Яблоки — плоды с тонкой кожицей (экзокарпий) и сочной мякотью (мезокарпий), которые примерно на 85% состоят из воды. Небольшого давления достаточно, чтобы на кожице появились микротрещины, клеточные стенки разрушились. Через незаметные глазу разрывы в мякоть плода проникают бактерии, и урожай начинает гнить.

Более того, после сбора яблоки с каждым днём становятся всё более уязвимыми. Поскольку яблоки умеют дозревать уже после того, как их сорвали, они продолжают выделять газообразный растительный гормон этилен. Этилен запускает и ускоряет созревание плодов — причём как самих яблок, так и соседних фруктов и овощей. При повреждении кожицы гормон вырабатывается ещё активнее. На первых порах он помогает заживлению, но вскоре начинает наносить вред. Яблоко начинает быстрее созревать, а значит и стареть.

Поэтому яблоки начинают портиться от малейшего удара о землю, в то время как твёрдые зёрна пшеницы, риса и кукурузы легко выдерживают встречу с железным оборудованием комбайнов.

Как собирают яблоки сегодня

Лучше всего яблоки собирать поштучно. Аккуратно откручивать плоды, прижимая плодоножку, чтобы она оторвалась без куска ветки. Если повредить дерево, то в следующем году на том же месте не появятся плодовые почки, и урожай будет более скудным. Трясти яблоню тоже не стоит: плоды побьются друг об друга и об землю и быстрее испортятся. Как же тогда собирают яблоки в больших масштабах?

Яблоки, которые продаются целыми в супермаркете, по-прежнему собирают вручную. В больших садах сборщики работают со специальных комбайнов. Одни идут по земле вслед за машиной, другие стоят на платформах и собирают яблоки со среднего уровня и верхушек.

Опытные работники собирают до 350 килограммов яблок в час © Lance Cheung/USDA 

Сорванные яблоки сборщики кладут на небольшие конвейеры, по которым плоды аккуратно сгружаются в ящики. На одном комбайне могут работать от двух до шести сборщиков, то есть в час они могут собрать до 2,1 тонны яблок. По данным некоторых производителей, такой подход позволяет снизить долю повреждённых или даже чуть сдавленных плодов до 3%.

На переработку в соки, пюре и сидр яблоки собирают менее аккуратно. Комбайны-потряхиватели могут собирать до 25 тонн яблок в час. Есть два типа таких машин. Одни оснащены манипулятором, который крепко обхватывает ствол и трясёт всё дерево. У других создана рабочая зона с гибкими «щётками», которые передают вибрации веткам кроны, а не стволу. Плоды при этом падают не на землю, а на растянутые под деревом гибкие тенты. Также хозяйства используют специальные машины для сбора яблок с земли.

Ручная сборка яблок — крайне монотонный труд. Именно такие обязанности инженеры стараются в первую очередь переложить на машины. К сожалению, простой инструкции тут недостаточно.

Как компьютер распознаёт яблоки в листве

Человеку не приходится сильно задумываться, чтобы разглядеть созревшее яблоко, протянуть руку сквозь ветки и сорвать его. Но для компьютера это сложная задача. Плоды скрываются за ветками и сливаются с листьями, особенно зелёные сорта вроде «гренни смит». Причудливый рисунок теней от подвижной кроны ещё сильнее мешает машине различить среди пятен света и тьмы заветную форму яблока.

Для поиска плодов в таких «диких» условиях в первую очередь используют свёрточные нейронные сети — разновидность нейросетей, которые анализируют группы соседних пикселей на изображениях в поиске простых признаков (краёв, линий, цветов). Они особенно эффективны для распознавания объектов. Чтобы нейросеть смогла распознавать плоды на деревьях, её обучают на десятках тысяч фотографий яблок под разными углами при разном освещении.

Помимо камер в видимом диапазоне света, который воспринимает человеческий глаз, на роботов-сборщиков устанавливают инфракрасные камеры. Яблочная кожица отражает ИК-свет иначе, чем лист, что помогает компьютеру выявить плоды на дереве.

Камеры на роботе для сбора яблок © Jin, T., Han, X., Wang, P. et al. (2025)/MDPI Agriculture (CC BY 4.0) 

На практике для распознавания яблок на деревьях используют целые ансамбли нейросетей. При качественном наборе обучающих данных точность распознавания достигает 95%. Причём хорошо натренированной системе не важны ни дождь, ни туман, ни ночь.

Машина должна не только выявить зрелое яблоко, но и рассчитать его местоположение и построить маршрут манипулятора сквозь ветки. Для этого аппарат использует данные с камер глубины — датчиков, которые измеряют расстояние от устройства до наблюдаемых объектов. Собрав необходимые данные, компьютер строит трёхмерную карту зрелых яблок и маршруты манипуляторов.

В перспективе эти же системы машинного зрения можно обучить выявлять заболевания деревьев, наличие паразитов, прогнозировать урожай по количеству завязей на стадии цветения.

Роботы-пылесосы для яблок и умные дроны

Найденное яблоко необходимо аккуратно снять. Если просто схватить и дёрнуть, то повредится и само яблоко, и ветка. Поэтому «кисти» робота (энд-эффекторы), контактирующие с плодами, делают мягкими и подвижными.

Типы «яблочных» энд-эффекторов:

• Роботизированные мягкие пальцы. Аккуратно обхватывают плод, как это делает рука человека, распределяя давление по всей поверхности.

• Вакуумные присоски. Мягко прилипают к поверхности плода, тем самым распределяя давление.

Вакуумная система сбора урожая яблок © Automated Ag Systems 

После захвата манипулятор поворачивается, откручивая яблоко от плодоножки. Система отслеживает все параметры давления в режиме реального времени. Если яблоко деформируется, манипулятор останавливается. По сути, робот имитирует движения человеческих рук.

Примеры роботизированных сборщиков яблок:

• Робот MARS (Monash Apple Retrieving System) от инженеров Университета Монаша (Австралия). Распознаёт более 90% видимых яблок на дереве в разных погодных условиях. Использует роботизированные мягкие пальцы. На сбор одного яблока в среднем тратит 12,6 секунды.

• Тканевый надуваемый манипулятор EIFM от инженеров Университета штата Вашингтон (США). Конструкция простая и лёгкая (менее 22 килограммов). И мягкая, поэтому не вредит яблокам и веткам. Стоит гораздо меньше «коллег». На сбор одного плода тратит около 25 секунд.

• Робот от российских инженеров. Распознаёт яблоки в разных погодных условиях, в дождь и туман. Снимает яблоки вакуумной присоской и мягкими пальцами.

• Робот-садовод от российской компании Electromotive. Автоматически находит деревья со зрелыми плодами. Бережно собирает яблоки, груши и мандарины. Манипулятор может подниматься на 3,5 метра. В 2025 году прошёл пилотное тестирование в Подмосковье. По заявлениям разработчиков, робот за день собрал 2,8 тонны урожая.

Некоторые компании пошли другим путём и использовали дроны. Такую роботизированную платформу с дронами разработала компания Tevel (Израиль). Система по камерам анализирует расположение созревших яблок, и ИИ посылает к ним летающий аппарат. Дрон присоской захватывает плод и переносит в ящик. Все дроны питаются по проводам от платформы, поэтому могут работать часами без перерывов. Технология ещё не внедрена, идет тестирование.

Роботы — сборщики яблок пока что работают медленнее людей. Они более требовательны: им необходимы ровные ряды и открытые кроны. Тем не менее роботы не мода, а необходимость. В сельском хозяйстве большой дефицит работников, и внедрение автоматизированных систем позволит поддерживать производство на том же уровне.