生而燦爛 莫負(fù)年華
——記江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院農(nóng)業(yè)信息化研究所所長劉繼展

□ 劉玉杰 范佳樂

劉繼展

隨著生活水平的提高，我國百姓對飲食方面的要求也變得更高，越來越注重營養(yǎng)均衡，各類瓜果便成為日常飲食中不可缺少的重要角色。番茄、甜椒、黃瓜、蘋果、葡萄、椰子、櫻桃……各類新鮮果實(shí)鋪滿貨架，色彩斑斕、香氣撲鼻，令人垂涎欲滴。

這些大大小小的果實(shí)，不僅形狀不一，質(zhì)地也大相徑庭，有些硬邦邦堅(jiān)如磐石，比如椰子；有些則嬌滴滴晶瑩剔透，比如葡萄。那么，外觀誘人、數(shù)量龐大的各種水果，又是怎么低本高效、毫發(fā)無損地采摘下來的呢？這個問題，即使夸張如“日啖荔枝三百顆”的水果酷愛者，可能也從來沒有想過。來自江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院農(nóng)業(yè)信息化研究所的劉繼展所長，恐怕是最合適回答這個問題的專家之一了。他在農(nóng)業(yè)裝備研究領(lǐng)域默默耕耘近20年，只為實(shí)現(xiàn)自動化、智能化的鮮食用果采摘。

回首科研路 花開伴艱辛

劉繼展相繼于江蘇大學(xué)（原江蘇理工大學(xué)）機(jī)械制造及其自動化專業(yè)和機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)獲得學(xué)士、碩士學(xué)位，并與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域結(jié)緣，成為農(nóng)業(yè)生物環(huán)境與能源工程專業(yè)的博士。他面向鮮食用果生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)需求，傾力于農(nóng)業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)研究與技術(shù)攻關(guān)，從攻讀博士和作為年輕科研工作者一路走來，為此傾注滿腔熱情，收獲累累碩果?！稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)是我國的命脈，我國農(nóng)業(yè)裝備化水平提高也很快，大田生產(chǎn)的綜合機(jī)械化率已經(jīng)超過80%”，采訪時(shí)，劉繼展說，“但果蔬生產(chǎn)的機(jī)械化水平不超過30%，目前還普遍處于‘無機(jī)可用’或者‘無好機(jī)可用’的狀態(tài)，存在很多空白，成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全面現(xiàn)代化的巨大短板?！?/p>

這位臉頰略顯清瘦、目光炯炯有神的青年學(xué)者，20年如一日埋首于溫室果園智能裝備的研發(fā)。他笑著坦言：“我們做農(nóng)業(yè)裝備的一個特點(diǎn)，就是大量的時(shí)間要‘泡’在田間和農(nóng)場，而且需要作業(yè)的時(shí)節(jié)，往往處于高溫的夏季。”

采訪劉繼展時(shí)，正值近40℃的高溫席卷全國，每每到了這個季節(jié)，卻也正是劉繼展帶著學(xué)生們在田間地頭實(shí)踐研究成果的時(shí)節(jié)。對于沉醉于科研的劉繼展來說，對于這樣“足蒸暑土氣，背灼炎天光”的日子并不感到辛苦，反而很欣慰：“這對我自己和我的研究生也是很大的鍛煉，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，往往感受不到這樣的緊迫性，到現(xiàn)場以后，目睹果蔬生產(chǎn)機(jī)械化的迫切需求和惡劣條件，反而激發(fā)了學(xué)生們的主動性和潛力。”

就是在這樣不計(jì)條件、不求回報(bào)的全情付出下，劉繼展帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，圍繞溫室、果園生產(chǎn)的全程智能裝備與技術(shù)開展了多年研發(fā)，并逐漸形成了土壤基質(zhì)管理、秧苗種植、水肥管理、植保、空中管理、收獲、分級運(yùn)輸?shù)认盗兄悄芑b備成果，部分已量產(chǎn)并投入生產(chǎn)應(yīng)用。

攻堅(jiān)克難 填補(bǔ)國際空白

發(fā)達(dá)國家以規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化方式實(shí)現(xiàn)果蔬生產(chǎn)，同時(shí)其加工用果蔬占70%以上，相比于鮮食用果蔬的生產(chǎn)，加工用水果對成熟度、損傷、磕碰等方面的要求低很多，20世紀(jì)60年代歐美主要國家的加工用果蔬生產(chǎn)就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全面機(jī)械化，果蔬裝備以大型化的修剪、施藥、振動采收與喂入式采收機(jī)為主覆蓋生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)。

我國各類果園面積達(dá)近2億畝，是全球第一大水果生產(chǎn)國，菜用果面積、產(chǎn)量也遙遙領(lǐng)先。但是，我國生產(chǎn)的絕大多數(shù)果蔬用于鮮食，同時(shí)生產(chǎn)規(guī)模偏小且規(guī)格眾多，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的機(jī)械化生產(chǎn)。目前我國溫室果園機(jī)械以小型土地耕整機(jī)械為主，近年來除草機(jī)械、修剪機(jī)械、地面與航空植保機(jī)械、山地運(yùn)輸機(jī)械等有了一定的發(fā)展，產(chǎn)后的集中分選設(shè)備已逐步成熟，但是收獲、授粉、疏花疏果、現(xiàn)場分選、綁枝套袋等大量作業(yè)仍無機(jī)可用，大量管理作業(yè)均需要人工完成。隨著勞動力成本急升和人口的迅速老齡化，解決果蔬生產(chǎn)的全面機(jī)械化問題已迫在眉睫。

據(jù)劉繼展介紹，以果園底盤配置耕整部件、升降平臺、噴霧系統(tǒng)形成各類管理作業(yè)裝備，適應(yīng)郁閉果園、南方行間大排水溝果園、丘陵果園的底盤技術(shù)成為主要核心技術(shù)，現(xiàn)有輪式與履帶通用底盤均難以有效解決果園行間的高通過性、防翻安全性和多動力輸出問題，這是國外大型標(biāo)準(zhǔn)果園機(jī)械化作業(yè)所無需面臨的問題。

同時(shí)，他說，果園升降管理機(jī)作為人工空中作業(yè)的輔助設(shè)備，近年來發(fā)展迅猛，在多人配合駕駛和作業(yè)的大型化升降管理機(jī)產(chǎn)品基礎(chǔ)上，單人獨(dú)立操作作業(yè)的小型化果園升降管理機(jī)產(chǎn)品也相繼問世，為果園的管理作業(yè)提供了更多輔助設(shè)備選擇。但目前各類升降管理機(jī)產(chǎn)品仍普遍面臨對不同地形、栽培模式、行間條件的適應(yīng)問題，同時(shí)平臺的便捷擴(kuò)展、調(diào)平與防翻等技術(shù)，已成為擴(kuò)展空中作業(yè)空間和提高作業(yè)安全性、便捷性的熱點(diǎn)技術(shù)。

特別是我國85%的果蔬用于鮮食，也即采摘后直接進(jìn)入超市和菜場，對成熟度、外觀、品質(zhì)、保鮮期的要求大大提升，因此我國對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用更為急迫、要求也更高。面向蘋果、梨、柑橘、葡萄、草莓、菠蘿等大宗鮮食水果，以選擇性作業(yè)為特征的機(jī)器人套袋、采收等技術(shù)，是滿足我國以鮮食水果生產(chǎn)為主的人力替代的客觀需要。經(jīng)過多年的研究積累，相關(guān)技術(shù)已取得了飛速進(jìn)步和重大突破，但主要受限于現(xiàn)有種植方式下果品在樹冠的隨機(jī)分布，機(jī)器人作業(yè)的實(shí)施難度過大。通過農(nóng)藝—農(nóng)機(jī)的深度融合破解機(jī)器人采收、套袋等作業(yè)的瓶頸已成為共識。

帶領(lǐng)學(xué)生參加第一屆中國研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽

“我國在這方面的研究比國外要滯后20至30年，我們從2000年以后才開始研究，幾乎是從零起步，克服了很多困難，突破了很多瓶頸”，他不無自豪地表示，“目前我們國家在這個領(lǐng)域的研究已經(jīng)迅速趕超上來，可以說與國外處于同步并跑水平，在少數(shù)領(lǐng)域已經(jīng)能夠達(dá)到國際領(lǐng)先?！彼硎?，這與黨和國家的高度重視和大力支持是分不開的，科研人員、科研經(jīng)費(fèi)和科研力量的投入力度非常之大，目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)重心已經(jīng)從美國、日本等發(fā)達(dá)國家，轉(zhuǎn)移到了中國。

劉繼展沒有辜負(fù)黨和國家的期望與重托，正如他所信奉的人生格言：“生而燦爛，莫負(fù)年華”。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，沒日沒夜埋首于科研第一線，相繼研究開發(fā)出多種創(chuàng)新型溫室、果園智能裝備，填補(bǔ)了多項(xiàng)空白，包括：

基質(zhì)攤填裝備——“基質(zhì)自動挖料上料機(jī)”“基質(zhì)自動移動攤鋪機(jī)”：基質(zhì)自動挖料上料機(jī)克服現(xiàn)有裝備不具備移動作業(yè)能力，無自動取料能力之不足，滿足不同場所或位置的基質(zhì)堆料上料、裝箱需要。基質(zhì)自動移動攤鋪機(jī)實(shí)現(xiàn)人工極少介入的全程自動基質(zhì)上料與架上均勻攤填和100mm高度誤差自動仿形作業(yè)，解決高架栽培的基質(zhì)攤鋪與更換難題。

秧苗移栽裝備——“高架/高壟草莓苗自主移栽機(jī)”：針對長育苗期超大草莓苗、設(shè)施特殊栽培作業(yè)環(huán)境和弓背向外的特殊移栽要求，提出完全不同于現(xiàn)有各類半自動、全自動移栽機(jī)的全新技術(shù)方案，突破了光電弧形陣列導(dǎo)航、全輪轂電機(jī)仿形底盤、打孔放苗精準(zhǔn)定位、一插式自動換盤等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)草莓等大苗移栽向高架、高壟的打孔、取苗、移苗、放苗一體全自動作業(yè)。

果園耕整裝備——“果園自變速寬深開溝施肥機(jī)”：能夠滿足果園行間500*400mm寬深開溝需求，配有履帶式無級變速底盤，矮化機(jī)身，保證行間通過性，一鍵式作業(yè)啟停和電磁式動力切斷，實(shí)現(xiàn)了果園復(fù)雜環(huán)境條件下自變速調(diào)控與安全保護(hù)。

智能植保裝備——“果園智能雙擺式彌霧施藥機(jī)”和“遙控式擺動霧化施藥機(jī)”：果園智能雙擺式彌霧施藥機(jī)能夠擺動彌霧施藥，霧滴細(xì)小，噴施均勻，藥液耗量僅為常規(guī)風(fēng)送噴霧的1/20～1/10，并且小巧輕便，無須底盤動力，操作極為簡便，一鍵即可達(dá)到啟停，實(shí)現(xiàn)果園復(fù)雜環(huán)境條件下的藥量精確預(yù)警和缺液保護(hù)。遙控式擺動霧化施藥機(jī)采用遙控式作業(yè)，履帶底盤，霧化噴筒、自主擺動噴施，體型小巧，可滿足溫室各類作物的植保需要。

果園管理裝備——“自動防翻型單人操控小型升降管理機(jī)”：可以滿足坡地等各類復(fù)雜環(huán)境下單人駕駛操控的空中升降作業(yè)需要，行駛速度可達(dá)1.4m/s，長寬僅1.2m*0.8m，機(jī)上手柄集成操控，收放式上下無障礙通道，多工況的誤操作安全保護(hù)與自動防翻系統(tǒng)。

果實(shí)收獲裝備——“球形果柔性采摘機(jī)器人”、“細(xì)長瓜果柔性采摘機(jī)器人”和“葡萄串果柔性采摘機(jī)器人”：球形果柔性采摘機(jī)器人具有自主開發(fā)激光切割—柔順夾持式末端執(zhí)行器、自動真空吸持技術(shù)與新型真空發(fā)生系統(tǒng)、雙目視覺系統(tǒng)。細(xì)長瓜果柔性采摘機(jī)器人具有自主開發(fā)伸縮—旋轉(zhuǎn)多關(guān)節(jié)式機(jī)械臂、自主開發(fā)夾剪一體式末端執(zhí)行器、輪式自主移動底盤、雙目視覺系統(tǒng)。葡萄串果柔性采摘機(jī)器人具有新型RealSense識別—導(dǎo)航技術(shù)、剪叉式升降與少關(guān)節(jié)臂式結(jié)構(gòu)、空中就近放果與回收技術(shù)、履帶式全地形底盤、超輕小機(jī)身。

現(xiàn)場轉(zhuǎn)運(yùn)裝備——“果實(shí)自動分級接卸果運(yùn)輸車”：適用于溫室、果園的果實(shí)現(xiàn)場分級、分類機(jī)械化運(yùn)輸，無需駕駛，實(shí)現(xiàn)人工或機(jī)械采收的自動跟隨作業(yè)，多隔箱分類分級旋轉(zhuǎn)放果（料）、箱門啟閉、卸果全部自動化，可以實(shí)現(xiàn)菜農(nóng)雙手隨采隨放的自動分選運(yùn)輸，也可以和采摘機(jī)器人構(gòu)成主—從協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，大大提高果菜收獲作業(yè)效率。

勇于亮劍 挑戰(zhàn)采摘機(jī)器人

在采訪中，劉繼展談得比較多的是采摘機(jī)器人。

機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。而機(jī)器人化果蔬采摘被公認(rèn)為最具挑戰(zhàn)性的機(jī)器人技術(shù)之一，其研究更需要通過生物力學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、先進(jìn)感知與智能控制等的高度融合來有力推動。

我國是全球果蔬第一生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，各主要果蔬品類產(chǎn)量均高居全球首位，以果蔬為主體的園藝業(yè)總產(chǎn)值占種植業(yè)總產(chǎn)值的45%，在江蘇、山東等省份更高達(dá)70%，成為我國農(nóng)業(yè)增收和出口創(chuàng)匯的核心產(chǎn)業(yè)。

但同時(shí)，正如上文所提到的，我國果蔬以鮮食為主的特點(diǎn)極為鮮明，鮮食果蔬產(chǎn)量占總產(chǎn)量的85%以上。作為勞動密集型產(chǎn)業(yè)，各類水果、菜用果生產(chǎn)不僅管理環(huán)節(jié)眾多，且大量套袋去袋、采收等作業(yè)需針對不同果實(shí)逐一實(shí)施，常規(guī)機(jī)械化作業(yè)方式完全無用武之地。

目前我國果品生產(chǎn)中人工成本比例已高達(dá)50%，更主要集中在無法常規(guī)機(jī)械化作業(yè)的套袋去袋和采摘等環(huán)節(jié)上，其對人工的依賴已成為我國果品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大瓶頸。以葡萄為例，目前，葡萄的采摘主要依靠有經(jīng)驗(yàn)的人工雙手協(xié)作進(jìn)行托扶和剪切，且極易碰傷、剪傷果粒，大大影響葡萄的品級和保質(zhì)期。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采摘季節(jié)勞動力成本高達(dá)每人每天160元以上，每畝的人工采收投入超過4000元。

在國外進(jìn)行研究交流

與女兒合影

因此，以更加智慧化的機(jī)器人技術(shù)，盡快破解套袋、去袋、采收關(guān)鍵管理環(huán)節(jié)的“機(jī)器換人”問題，成為我國乃至全球果品產(chǎn)業(yè)持續(xù)、高效發(fā)展的關(guān)鍵。

圍繞采摘機(jī)器人，劉繼展作為第一負(fù)責(zé)人和第二負(fù)責(zé)人，先后承擔(dān)了5個國家基金項(xiàng)目以及省市的多項(xiàng)科研課題，十幾年如一日傾力于相關(guān)的理論研究與應(yīng)用開發(fā)，在采摘機(jī)器人基礎(chǔ)理論研究與裝備研發(fā)形成了鮮明特色并產(chǎn)生了重要影響，為推動該領(lǐng)域的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

劉繼展率先提出了機(jī)器人采摘中的夾持碰撞與快速無損收獲問題，并在國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持下，圍繞“快速無損收獲”主題形成了力學(xué)特性與互作規(guī)律、建模仿真、設(shè)計(jì)方法、樣機(jī)開發(fā)、控制優(yōu)化的技術(shù)體系，體現(xiàn)了采摘機(jī)器人研究的多學(xué)科高度融合特征，關(guān)于黏彈對象的夾持碰撞、植物體激光切割、真空吸持拉動的植株—果實(shí)響應(yīng)、基于個體差異性的性能概率分布等研究，具有突出的創(chuàng)新性和重要價(jià)值。

他在采訪中透露：“目前，我們在進(jìn)一步拓展無損采摘機(jī)器人的應(yīng)用范圍，從原有的番茄、柑橘等單果無損采摘，拓展到近五六年針對葡萄等串果的無損采摘，這里所說的‘無損’，包括了作業(yè)過程中的防止果粒脫落、防止果粒損傷，從原理上來說，就是從原有的動態(tài)流變特性互作規(guī)律基礎(chǔ)上的進(jìn)一步拓展，將力學(xué)與生理、生化進(jìn)行結(jié)合，都在持續(xù)開展研究。”

就在劉繼展接受采訪的前一天，他又承擔(dān)起了新的科研項(xiàng)目——圍繞葡萄的機(jī)器人化采摘和套袋作業(yè)，“多功能人形化機(jī)器人”的重大課題正式立項(xiàng)。他說：“希望通過更緊密的協(xié)同創(chuàng)新，來克服我們本身的一些知識結(jié)構(gòu)上的不足，能夠更快地推進(jìn)人工智能和機(jī)器人的深度融合，實(shí)現(xiàn)采摘、套袋機(jī)器人技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室階段到服務(wù)于生產(chǎn)的重要跨越。”

實(shí)驗(yàn)探討

科研路上不停歇策馬揚(yáng)鞭勇奮蹄

作為以農(nóng)機(jī)起家、最早系統(tǒng)開展農(nóng)機(jī)教育的高校，江蘇大學(xué)是國內(nèi)農(nóng)業(yè)裝備研究領(lǐng)域的“龍頭”。從讀研究生開始，劉繼展就師從這個領(lǐng)域的兩位知名專家——碩士和博士生導(dǎo)師李萍萍教授、合作導(dǎo)師及博士后導(dǎo)師毛罕平教授，一心撲在農(nóng)業(yè)裝備和農(nóng)業(yè)機(jī)器人上，展開了相應(yīng)的研究。在大團(tuán)隊(duì)的協(xié)作下，劉繼展多次以項(xiàng)目主持人或合作主持人的身份，完成多項(xiàng)重要科研項(xiàng)目，獲得過多種國家、省部級科技領(lǐng)域的獎勵，奠定了自己在國內(nèi)乃至國際上的學(xué)術(shù)地位。

劉繼展的科研之路愈走愈堅(jiān)定，愈走愈自信，羽翼漸豐的他開始向更高的山峰挑戰(zhàn)，承擔(dān)起更多的重任?！霸谶@個基礎(chǔ)上，我和相關(guān)老師以及博士碩士研究生又著重圍繞農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智慧農(nóng)業(yè)裝備這一塊，形成了一個更緊密的小團(tuán)隊(duì)?！苯陙?，劉繼展帶領(lǐng)著自己的小團(tuán)隊(duì)在采摘機(jī)器人領(lǐng)域取得了豐碩的科研成果，并出版了46萬字的專著《番茄采摘機(jī)器人快速無損作業(yè)研究》，這也是目前國內(nèi)外在該領(lǐng)域唯一一部學(xué)術(shù)專著。

在學(xué)術(shù)之路上永不滿足的劉繼展，計(jì)劃在已經(jīng)取得的成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深化，更加注重協(xié)同創(chuàng)新。他邀請江蘇大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院、深圳市智能機(jī)器人研究院和國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的專家加盟，組成學(xué)科更為廣泛、研究更為深入的大團(tuán)隊(duì)。“未來的工作計(jì)劃主要分為兩個方面”，他說，一方面是將目前比較接近或已經(jīng)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智慧裝備盡快和企業(yè)結(jié)合，使產(chǎn)品更加人性化，作業(yè)效率與可靠性顯著提高，逐步推向市場，使技術(shù)有所用。另一方面，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，他希望提高科研能力，加快研發(fā)速度，多出科研成果，未來2至3年內(nèi)，再有2至3部相關(guān)專著和產(chǎn)品級機(jī)器人樣機(jī)問世，擁有發(fā)明專利數(shù)達(dá)到70項(xiàng)以上，填補(bǔ)更多的領(lǐng)域空白。

劉繼展對今后的道路充滿信心：“我想，未來3年是我們要花大力氣攻關(guān)的階段，因?yàn)檫@將決定我們是不是能夠上一個更高的臺階?！?/p>