Китайские исследователи представили обновлённую версию робота GEAIR 2.0, предназначенного для автоматизации одного из самых трудоёмких этапов селекции растений — гибридного опыления. Робот способен самостоятельно находить цветки среди листьев и стеблей, распознавать нужные элементы цветка и переносить пыльцу с помощью роботизированных рук.
Система объединяет компьютерное зрение, искусственный интеллект, робототехнику и методы генетической модификации растений. Разработчики рассчитывают, что такой подход позволит сократить затраты на селекцию новых сортов и уменьшить зависимость от ручного труда.
Как работает робот для опыления?
GEAIR 2.0 разработан специалистами Института генетики и биологии развития Китайской академии наук. Робота представили на 33-й Китайской пекинской конференции по семеноводству.
Главная задача машины — выполнять перекрёстное опыление растений в условиях, где человеку приходится вручную работать с большим количеством небольших цветков. Особенно сложна эта процедура при создании гибридных сортов: необходимо точно перенести пыльцу одного растения на репродуктивный орган другого, не повредив цветок.
Для этого GEAIR 2.0 использует систему компьютерного зрения. Она должна определить, где находится подходящий цветок, оценить его положение среди листьев и ветвей и найти рыльце — женскую часть цветка, на которую необходимо нанести пыльцу.
Точность распознавания рыльца у новой версии робота достигла 92,8%. Для сравнения, у предыдущей системы этот показатель составлял около 85%.
Две руки вместо одной
Одним из главных усовершенствований GEAIR 2.0 стала новая двурукая конструкция. Предыдущая версия использовала одну гибкую манипуляционную систему. Теперь робот может одновременно выполнять несколько операций: одна рука удерживает инструмент или элемент растения, а другая выполняет точное действие.
Во время демонстрации с томатами одна рука робота удерживала пыльцевую трубку, а вторая работала специальной кисточкой для переноса пыльцы. На одну операцию опыления машине требовалось менее десяти секунд. По данным China Daily, одного погружения кисточки в пыльцу достаточно примерно для 50 операций.
Для человека такая работа довольно монотонна: необходимо повторять практически одинаковые движения сотни и тысячи раз, причём делать это достаточно аккуратно и в определённый период жизненного цикла растения. Для робота же повторяемость операции как раз является преимуществом.
Почему растения тоже пришлось «подогнать» под робота?
Самое интересное в этой разработке заключается в том, что исследователи совершенствуют не только машину, но и сами растения. Этот подход получил название crop-robot co-design, или совместное проектирование растения и робота. Идея довольно проста: если изменить форму растения таким образом, чтобы роботу было легче выполнять нужную операцию, эффективность всей системы возрастает.
В случае с томатами исследователи использовали генетическое редактирование, чтобы получить мужскостерильные растения с более доступным рыльцем. У обычного цветка нужная структура может быть частично скрыта лепестками и другими элементами. Если же она оказывается вынесенной наружу, системе компьютерного зрения и манипулятору значительно проще её обнаружить и обработать. Именно сочетание биотехнологии и робототехники делает GEAIR необычным проектом. Вместо попытки заставить универсального робота приспосабливаться к любому растению исследователи одновременно изменяют конструкцию машины и характеристики культуры.
Откуда здесь искусственный интеллект?
Для робота недостаточно просто запрограммировать последовательность движений. В реальной теплице цветки располагаются в разных местах, листья перекрывают обзор, а положение растения постоянно меняется.
Поэтому GEAIR должен сначала увидеть объект, определить его положение и только после этого спланировать движение манипуляторов. Иными словами, робот работает не по жёсткому сценарию «подойти сюда — повернуть руку — нажать», а реагирует на конкретную конфигурацию растения.
Предыдущие исследования команды показали, что автоматизированное перекрёстное опыление томатов может достигать эффективности, сопоставимой с ручной работой опытных специалистов. Позднее тот же подход был распространён и на сою.
Робот может изменить саму селекцию растений
Гибридная селекция — процесс, в котором особенно много операций выполняется вручную. Специалистам приходится выбирать растения, находить подходящие цветки, переносить пыльцу и повторять процедуру для большого количества экземпляров. Автоматизация может изменить экономику этого процесса. Роботу не нужны перерывы, он способен выполнять повторяющиеся операции в течение длительного времени и потенциально работать в разное время суток.
Но важнее другое: GEAIR демонстрирует новый принцип сельскохозяйственной автоматизации. Робот здесь становится не просто заменой человеку, а частью единой системы, в которой растение, генетические технологии, искусственный интеллект и механика проектируются совместно. В перспективе подобный подход может использоваться не только для опыления. Системы компьютерного зрения и точных манипуляторов можно адаптировать для сбора пыльцы, отбора растений с нужными признаками и других операций, необходимых селекционерам.
От лаборатории — к сельскому хозяйству
Пока GEAIR 2.0 прежде всего демонстрирует возможности технологии, а не является универсальным автономным фермером. Работа с растениями остаётся сложной задачей: цветки различаются по форме и размеру, условия освещения меняются, а плотная растительность создаёт препятствия для робота.
Тем не менее направление выглядит перспективно. В отличие от крупных сельскохозяйственных машин, которым относительно легко работать на открытом поле, робот-селекционер должен действовать буквально между отдельными листьями и цветками, выполняя движения с миллиметровой точностью. И здесь гуманоидная форма оказывается вполне логичной: две руки, способность перемещаться в пространстве, рассчитанном на человека, и развитое компьютерное зрение позволяют использовать машину в уже существующей инфраструктуре теплиц.
В конечном счёте GEAIR показывает, каким может стать следующее поколение сельскохозяйственной робототехники. Это уже не просто автоматическая машина, выполняющая одну механическую операцию, а своеобразный «искусственный селекционер», который умеет видеть растение, понимать его структуру и выполнять тонкую работу с цветком.
