Robot hái dâu tích hợp AI: Bước tiến mới hướng tới thương mại hóa thu hoạch tự động

Dâu tây là loại quả rất mềm và khó thu hoạch, chúng dễ bị dập và thường ẩn dưới tán lá. Điều này gây không ít khó khăn cho các nhà khoa học khi thiết kế robot hái dâu. Mới đây, một nhóm nghiên cứu do Đại học Bang Washington (WSU) đã phát triển một loại robot, kết hợp hệ thống thị giác trí tuệ nhân tạo - những “ngón tay” silicon mềm và một chiếc quạt có thể nhẹ nhàng gạt lá sang một bên để tiếp cận những quả ẩn bên dưới.

Các nhà nghiên cứu WSU thiết kế robot có thể hái những quả dâu tây “ẩn dưới lá”. Ảnh: Xiangling Kong

Trong phòng thí nghiệm và ngoài đồng cho thấy robot có thể phát hiện chính xác dâu tây trung bình 80% trường hợp và phân loại được quả nào bị che khuất tới 93% trường hợp.

Các bản thiết kế, phát triển và thử nghiệm của robot hái dâu đánh dấu một bước tiến hướng tới việc biến công nghệ thu hoạch tự động ngoài đồng trở nên khả thi hơn về mặt thương mại; đây cũng là nội dung của một bài báo được công bố vào tháng 7 trên tạp chí Computers and Electronics in Agriculture.

Robot hái dâu tích hợp trí tuệ nhân tạo. Ảnh: Zixuan He

Tác giả chính của nghiên cứu này là Zixuan He, người đã nhận bằng tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Hệ thống Sinh học của Đại học Bang Washington (WSU), trước khi đảm nhận vị trí nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Aarhus ở Đan Mạch. Các đồng tác giả gồm có Manoj Karkee, cựu giáo sư WSU trong lĩnh vực kỹ thuật tự động hóa nông nghiệp, hiện vừa nhận công tác tại Đại học Cornell và vẫn giữ vị trí giảng viên thỉnh giảng tại BSE; cùng với Qin Zhang, giáo sư danh dự và cựu giám đốc Trung tâm Hệ thống Nông nghiệp Chính xác & Tự động hóa của WSU tại Prosser.

Thị trường dâu tây trị giá 20 tỷ USD được dự báo sẽ tăng trưởng 6% mỗi năm trong thập kỷ tới, nhưng ngành này đang phải đối mặt với tình trạng thiếu lao động, làm chi phí tăng cao và có thể hạn chế sản lượng thu hoạch.

Trong nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu từ trường đại học và khu vực tư nhân đã theo đuổi công nghệ thu hoạch bằng robot, nhưng những nỗ lực để đưa chúng vào ứng dụng thương mại vẫn chưa thành công. Một trong những thách thức lớn là nhiều quả dâu tây thường bị che khuất dưới lá, khiến robot khó nhận diện và hái được.

“Những cách tiếp cận mới như thế này là rất cần thiết để cải thiện khả năng tiếp cận trái cây, tăng hiệu quả thu hoạch, từ đó nâng cao tính ứng dụng thực tiễn của robot hái quả” - Karkee cho biết.

Phần lớn các nghiên cứu trước đây về robot thu hoạch tập trung vào dâu tây trồng trong nhà kính hoặc các hệ thống “bàn trồng” (table-top), nơi quả dâu thường rủ xuống dưới cây, giúp hạn chế tình trạng che khuất và cho phép các robot đơn giản hơn có thể hái được quả.

Đội ngũ WSU đã phát triển một robot phức tạp hơn, hướng tới điều kiện thực tế ngoài đồng. Robot này là một giàn xe bốn bánh có gắn hệ thống máy tính, di chuyển phía trên hàng dâu và sử dụng hệ thống thị giác kết hợp trí tuệ nhân tạo để xác định vị trí quả.

Zixuan He, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi có một camera 3D chụp hai hình ảnh: một ảnh màu và một ảnh độ sâu. Sau đó, chúng tôi dùng mô hình học máy để tìm quả dâu dựa trên thông tin đặc trưng của trái được đối chiếu với dữ liệu độ sâu, và nhờ đó xác định vị trí chính xác”.

Robot sẽ tính toán cách các cánh tay và kẹp tiếp cận cũng như hái quả. Một điểm then chốt của thiết bị là hệ thống quạt, thổi luồng khí ổn định qua các ống đặt gần những kẹp silicon mềm.

Luồng gió này giúp gạt lá sang bên, tạo đường cho kẹp tiếp cận quả dâu. Nhờ hệ thống quạt, hiệu suất hái được cải thiện đáng kể. Cụ thể, trong các thử nghiệm không có quạt, robot chỉ hái được 58% số quả chín, còn khi sử dụng quạt, tỷ lệ tăng lên 74%.

Việc nâng cao hiệu quả và tính khả dụng của hệ thống là rất quan trọng để có thể áp dụng ngoài đồng. Đặc biệt, tốc độ cần được cải thiện bởi hiện tại robot mất trung bình khoảng 20 giây để nhận diện và hái một quả khi dùng hệ thống quạt.

Zixuan He cho rằng hệ thống quạt này có thể hữu ích trong việc phát triển robot thu hoạch cho các loại cây trồng khác cũng gặp vấn đề che khuất như nho. Ông cũng nhận định rằng trong tương lai gần, robot khó có thể thay thế hoàn toàn lao động con người mà thay vào đó, nông dân trồng dâu có thể dùng robot để hỗ trợ và bổ sung cho nhân công hiện có.

Theo Robotics & Automation News