目前，我國(guó)茶園面積已達(dá)339.27萬(wàn)hm2 、茶農(nóng)6000多萬(wàn)、產(chǎn)茶縣超過(guò)1000個(gè)，其中100多個(gè)縣以茶產(chǎn)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)。但是目前茶產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)方式和技術(shù)水平與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)要求仍存在較大差距，突出問(wèn)題就是名優(yōu)茶采摘嚴(yán)重依賴人工，而采摘是整個(gè)茶葉生產(chǎn)勞動(dòng)中作業(yè)次數(shù)最多、勞動(dòng)力消耗最大、勞動(dòng)強(qiáng)度最高的作業(yè)任務(wù)。
由于大部分年輕人不再愿意從事重復(fù)性采摘工作，勞動(dòng)力價(jià)格不斷上漲，導(dǎo)致名優(yōu)茶采摘作業(yè)勞動(dòng)力日益緊缺，嚴(yán)重制約了茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此通過(guò)“機(jī)器換人”推行智能化采摘已成為名優(yōu)茶可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，為此從2019年開(kāi)始，浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)器人與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在國(guó)家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、浙江省“領(lǐng)雁”計(jì)劃項(xiàng)目、浙江省農(nóng)業(yè)“雙強(qiáng)”重點(diǎn)突破試點(diǎn)項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持下，研發(fā)世界首款采茶機(jī)器人，它們能利用自己的“眼-腦-手-臂-腳”自主識(shí)別茶樹(shù)芽葉并進(jìn)行采摘，目前已經(jīng)研發(fā)到第六代。
本期就讓我們和浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)器人與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的賈江鳴副教授一起深入了解采茶機(jī)器人的采茶“功力”到底如何?
采茶機(jī)器人的采摘步驟有哪些?
采茶機(jī)器人的采茶步驟可以總結(jié)為檢測(cè)、定位和采摘。
第一步為識(shí)別，學(xué)術(shù)上稱為檢測(cè)，即利用人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù)確定采摘目標(biāo)。
第二步為定位，需要高精度的3D傳感器確定采摘目標(biāo)在空間中的坐標(biāo)(x,y,z)。此步驟要求較高，如果采摘的位置稍微往上，可能采到的都是碎葉，稍微往下，就會(huì)采到老梗。
第三步是采摘，即利用電腦指揮機(jī)械臂高速采摘芽葉。
賈江鳴副教授告訴記者，目前機(jī)器人沒(méi)有辦法做到和人一樣精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)采摘，因?yàn)樵谧匀画h(huán)境當(dāng)中，一陣風(fēng)吹過(guò)，就會(huì)有幾毫米的變動(dòng)，而目前的采茶機(jī)器人沒(méi)有辦法精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)自然環(huán)境中由風(fēng)導(dǎo)致的茶葉互相碰撞所帶來(lái)的誤差，因此在采摘過(guò)程當(dāng)中，采茶機(jī)器人不可避免會(huì)有定位不準(zhǔn)的地方。
采茶機(jī)器人的定位、識(shí)別準(zhǔn)確率和采摘成功率如何?
目前，采茶機(jī)器人的識(shí)別和定位的準(zhǔn)確率大概能達(dá)到九成。
采摘成功率是一個(gè)綜合的結(jié)果，具體是機(jī)械臂定位到茶芽的成功率和能夠采到一個(gè)非常完整的茶芽的成功率，目前在六成到七成之間。
從目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，全新升級(jí)的第六代智能采茶機(jī)器人的工作效率比第五代提高了50%，預(yù)計(jì)一臺(tái)機(jī)器能代替1.5個(gè)人工，一天采摘鮮葉可制干茶750 g。
采茶機(jī)器人和傳統(tǒng)采茶機(jī)有什么不同?
傳統(tǒng)切割式的采茶機(jī)是非選擇性的采摘，一般用在紅茶、黑茶，以及品質(zhì)稍低的綠茶中，對(duì)采摘的芽葉品質(zhì)沒(méi)有過(guò)高的要求。
采茶機(jī)器人是選擇性的采摘，機(jī)器人要有“眼睛”能夠進(jìn)行判斷，要有“大腦”能夠做決定并指揮“手”采摘符合要求的茶樹(shù)嫩葉，保留其他老葉，與切割式的采茶機(jī)有非常大的本質(zhì)差別。
茶葉智能采摘設(shè)備主要面臨的難點(diǎn)是什么?
第一個(gè)方面是識(shí)別。茶樹(shù)芽葉不像水果蔬菜，形狀規(guī)則、顏色差別大容易識(shí)別，茶樹(shù)新長(zhǎng)的芽葉和老葉的區(qū)別很小，嫩梢與背景顏色相近，生長(zhǎng)密集，難以進(jìn)行識(shí)別。
第二方面是定位。名優(yōu)茶因芽葉較小，形狀不規(guī)則，生長(zhǎng)高度不一致等因素，難以進(jìn)行定位。
第三方面是采茶機(jī)器人的采摘速度要求高。一般需要4萬(wàn)個(gè)嫩芽才能制作出500 g龍井茶，因此農(nóng)民要求采茶機(jī)器人有更快的采摘速度。
第六代采茶機(jī)器人做了哪些改進(jìn)和提升?
其實(shí)，去年研發(fā)的第五代智能采茶機(jī)器人的采摘質(zhì)量已經(jīng)符合中端龍井茶的標(biāo)準(zhǔn)。今年主要圍繞提高其采摘效率、降低成本兩個(gè)方面進(jìn)行升級(jí)。具體是將采茶機(jī)器人的機(jī)械臂從2個(gè)增加到4個(gè)，提高采摘效率;把原本固定識(shí)別相機(jī)減少到1臺(tái)移動(dòng)識(shí)別相機(jī)，通過(guò)可移動(dòng)相機(jī)發(fā)現(xiàn)更多芽葉并降低成本。
目前這款機(jī)器人還處于實(shí)驗(yàn)室階段，浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)器人與裝備創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)表示，后期將不斷創(chuàng)新和研發(fā)，同時(shí)也希望廣大種茶人、制茶人、喝茶人、科研人能建言獻(xiàn)策，進(jìn)一步提高采茶機(jī)器人的采摘效率和采摘質(zhì)量，且降低機(jī)器人的成本，使其盡快用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
來(lái)源 ：中國(guó)茶葉
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上圖為一群婦女在肯尼亞?wèn)|非大裂谷的茶葉帶中的一個(gè)種植園采茶，那里是傳統(tǒng)的手工采摘茶葉區(qū)。
據(jù)說(shuō)，這種勞動(dòng)密集型的采摘方法是為了確保該地區(qū)生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)茶葉，而茶葉是肯尼亞外匯收入最高的產(chǎn)業(yè)之一。
現(xiàn)在的肯尼亞茶葉種植業(yè)規(guī)模是世界第三，僅次于中國(guó)和印度。今年1月，肯尼亞法院裁定“工會(huì)禁止行業(yè)推行采茶機(jī)器”失敗后，大量的產(chǎn)業(yè)工作者面臨失業(yè)。茶工們擔(dān)心機(jī)器會(huì)搶走工作，而茶場(chǎng)老板則表示，機(jī)械化將使該行業(yè)更有生產(chǎn)力。
46歲的西波拉·昂塞里奧因采摘機(jī)而失去了采摘茶葉的工作。
她說(shuō)，自從當(dāng)?shù)卮髺|方茶葉加工廠引進(jìn)設(shè)備以來(lái)，他們過(guò)去工作的大部分田地都被交給機(jī)器和拖拉機(jī)。她說(shuō)，現(xiàn)在手工采茶從業(yè)者已經(jīng)失業(yè)了。
昂塞里奧是數(shù)百名員工中的一員，他們?cè)?jīng)在內(nèi)羅畢以西270公里的一個(gè)茶園工作。
肯尼亞茶工工會(huì)代表賈里德·莫馬尼表示，失業(yè)率可能會(huì)繼續(xù)增加。
“在引進(jìn)機(jī)器之前，光在博美我們就有……5萬(wàn)多員工！而在我們交談的此刻，我可以告訴你當(dāng)前的員工人數(shù)在5000到7000之間，”莫馬尼說(shuō)。
茶葉帶的跨國(guó)公司在法庭上辯稱，采摘機(jī)將有助于將生產(chǎn)成本削減一半以上，使其產(chǎn)品在世界市場(chǎng)上更有競(jìng)爭(zhēng)力。
不過(guò)，工會(huì)人士（反對(duì)跨國(guó)公司的陣營(yíng)）則表示擴(kuò)大機(jī)械化反而會(huì)增加用工成本，在法院裁決前就已經(jīng)有10000相關(guān)工人下崗了。
對(duì)于一個(gè)依賴茶工收入的地區(qū)，諸如瓊斯·穆泰等社區(qū)領(lǐng)袖說(shuō)，就業(yè)機(jī)會(huì)損失增加的影響將是可怕的。
他說(shuō)，“社會(huì)不穩(wěn)定因素增加將成為一個(gè)主要問(wèn)題”。穆泰說(shuō)，失業(yè)青年會(huì)把他們的挫折歸咎于富人，富人們將承擔(dān)整個(gè)社區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)和負(fù)擔(dān)。
盡管可能失業(yè)，肯尼亞茶農(nóng)協(xié)會(huì)的首席執(zhí)行官阿波羅·凱里說(shuō)，擁抱機(jī)械化是保持該行業(yè)活力的唯一途徑。
“一臺(tái)機(jī)器，其生產(chǎn)成本比你在一畝土地上使用手動(dòng)機(jī)械要低40%左右。所以你會(huì)發(fā)現(xiàn)你（能夠）平衡你的生產(chǎn)成本，你能夠繼續(xù)經(jīng)營(yíng)，你能夠保證你在工作中的剩余工人的業(yè)務(wù)連續(xù)性，”凱里說(shuō)。
協(xié)會(huì)補(bǔ)充說(shuō)，機(jī)器永遠(yuǎn)不會(huì)完全取代茶園中對(duì)人工的需要。
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科研人員一按遙控按鈕，采茶機(jī)器人就開(kāi)始自動(dòng)識(shí)別茶樹(shù)上嫩芽，精準(zhǔn)伸出機(jī)械手，把嫩芽采摘下來(lái)并吸入儲(chǔ)存盒內(nèi)。3月15至26日，浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械團(tuán)隊(duì)在中國(guó)農(nóng)科院茶葉研究所嵊州基地進(jìn)行名優(yōu)茶機(jī)器人采摘試驗(yàn)。
浙江理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械團(tuán)隊(duì)專家陳建能教授介紹，這是第三代名優(yōu)茶采摘機(jī)器人，是我省“尖兵”“領(lǐng)雁”項(xiàng)目之一、浙江理工大學(xué)主持的“名優(yōu)茶芽葉智能精準(zhǔn)采摘分級(jí)關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”的研究成果。
省科技廳按照科技強(qiáng)農(nóng)、機(jī)械強(qiáng)農(nóng)“雙強(qiáng)行動(dòng)”的整體部署，加大創(chuàng)新資源主動(dòng)布局力度，推進(jìn)重點(diǎn)領(lǐng)域“項(xiàng)目、基地、人才、資金”一體化高效配置，聚焦農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，著力提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益。采茶機(jī)器人的研發(fā)歷程充分顯示了省科技廳強(qiáng)力支撐農(nóng)業(yè)“雙強(qiáng)行動(dòng)”的成效。據(jù)悉，第一代采茶機(jī)器人由國(guó)家茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家武傳宇帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2019年研發(fā)成功。經(jīng)過(guò)第二代采茶機(jī)器人的提升，2022年，在省“尖兵”“領(lǐng)雁”項(xiàng)目支持下，陳建能帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)加快了第三代采茶機(jī)器人的技術(shù)研發(fā)，提高了茶葉嫩芽識(shí)別率、定位精度，并對(duì)自制的機(jī)械臂、末端機(jī)械手、茶園行走底盤、主控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行了茶園實(shí)地整機(jī)綜合試驗(yàn)。
陳建能介紹，以前的采茶機(jī)器一般都用“剃頭”式的連葉帶梗一起割下。因此，昂貴的名優(yōu)茶尤其是明前茶，一直以來(lái)都是依賴有經(jīng)驗(yàn)的采茶工用手采摘。
第三代采茶機(jī)器人運(yùn)用了深度學(xué)習(xí)的人工智能卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究人員向系統(tǒng)輸入大量的茶樹(shù)照片，經(jīng)過(guò)處理和分析，機(jī)器人通過(guò)對(duì)大量茶樹(shù)芽葉圖像數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，具有茶樹(shù)嫩芽自動(dòng)識(shí)別的功能。同時(shí)，研究人員還給這款機(jī)器人安裝了厲害的“眼睛”，掃描茶葉使用3D相機(jī)實(shí)現(xiàn)三維定位，使得采摘機(jī)械手能精確對(duì)準(zhǔn)嫩芽，平均2.5秒就能摘下一顆芽葉。
采摘實(shí)驗(yàn)表明：第三代采茶機(jī)器人整機(jī)在行走過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別、定位、采摘、收集，驗(yàn)證了現(xiàn)有技術(shù)路線的合理性，試驗(yàn)中芽葉識(shí)別率達(dá)82%、平均采摘速度2.5s/顆、采摘成功率40%。
陳建能表示，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展和勞動(dòng)力成本不斷提高，茶產(chǎn)業(yè)的用工矛盾較為突出，因此，“應(yīng)用機(jī)械化、信息化、智能化技術(shù)，研發(fā)出替代采摘?jiǎng)趧?dòng)用工機(jī)器人，對(duì)茶產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展和鄉(xiāng)村振興意義重大?！标惤芙榻B，后續(xù)科研團(tuán)隊(duì)將在采摘成功率、采摘速度、芽葉完整性、茶園立地環(huán)境適應(yīng)性方面持續(xù)提高改進(jìn)，爭(zhēng)取盡早實(shí)現(xiàn)商品化。
第三代采茶機(jī)器人入駐茶園，也是浙江省創(chuàng)新主體聯(lián)合攻關(guān)“卡脖子”核心技術(shù)難題的縮影。中茶所嵊州基地里，浙江理工大學(xué)主持的這個(gè)項(xiàng)目，與中茶所主持的“茶園自走式中耕施肥機(jī)”、浙江大學(xué)主持的“特色經(jīng)濟(jì)植物品質(zhì)感知與調(diào)控裝備”兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行了綜合示范，協(xié)同探索“智能采摘”“智能耕作”和“茶園管控”?！笆濉币詠?lái)，浙江省通過(guò)“尖兵”“領(lǐng)雁”計(jì)劃及育種專項(xiàng)在茶樹(shù)領(lǐng)域立項(xiàng)27個(gè)，涵蓋了茶樹(shù)育種、高效栽培、病蟲(chóng)害防治、機(jī)械研發(fā)、產(chǎn)品加工等茶產(chǎn)業(yè)全鏈條。通過(guò)一體化設(shè)計(jì)、學(xué)科交叉創(chuàng)新、數(shù)字和機(jī)械賦能，引領(lǐng)浙江省茶產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之路。
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