出品：科普中國

　　作者：王大朋、劉宜（中國科學院合肥物質科學研究院智能機械研究所）

　　監制：中國科普博覽

 

　　智能秋收小助手名片

　　小助手：高通量土壤成分智能檢測機器人

　　技術亮點：機器視覺、多臂協同與優化調度算法

　　知識產權：30項發明、15項新型、5項軟著，正在申請41項發明、2項國際

　　能量值：5顆星

　　證件照：

高通量土壤成分智能檢測機器人整體照片

（圖片來源：作者）

高通量土壤成分智能檢測機器人內部結構照片

（圖片來源：作者）

　　智能秋收小助手自我介紹

　　大家好，我是國內首臺高通量土壤成分智能檢測機器人。

　　雖然是“首臺”，但并不代表我沒有伙伴，因為我和其他智能設備一樣，都是中國科學院合肥物質科學研究院所制造出來的智能農機。

　　耕地是糧食生產最重要的物質基礎，是我國最為寶貴的資源。要全面掌握我國耕地的質量、分布和構成，指導農業生產，就需要對耕地進行“體檢”，即進行土壤檢測。

農業土壤

（圖片來源：veer圖庫）

　　傳統土壤檢測以人工為主，周期長，成本高，且對實驗人員技術要求高，人為因素容易導致檢測結果誤差大。我的誕生，就解決了這些問題。我可以實現對土壤進行高通量、智能化的制樣、稱量、前處理和檢測，節省大量人力，提高檢測的精確度和穩定性，為耕地“體檢”提供可靠的技術保障。

　　為了讓我成功誕生，研究員王儒敬團隊經歷了12年的自主研發過程，先后完成了7代樣機的研發迭代與更新。

　　在研發迭代的過程中，研究團隊針對土壤檢測的13項指標，先后歷經了4代樣機的更新迭代，完成了功能化模塊研制與驗證、基本功能原理樣機研制與驗證、關鍵算法開發與驗證、指標流程優化設計，以及單平臺樣機研制與測試。

　　在完善這些功能后，我又歷經了3代樣機的更新迭代，陸續完成了新增29項檢測指標功能化平臺的研制與驗證、平臺樣機的工程化、各平臺樣機的優化組合聯動，以及整個土壤檢測機器人的智能化、信息化改進，最終變成了大家如今所看到的樣子——高通量土壤成分智能檢測機器人。我現在已經通過專家鑒定，進入投產階段啦。

　　雖然耗時長，但在我的自主研發過程中，涌現出了一批原創性、創新性的技術成果，授權國家發明專利等知識產權50項，包括：30項發明專利、15項實用新型專利、5項軟件著作權，正在申請41項發明專利、2項國際發明專利，形成自主知識產權體系。

　　原創性技術成果

　　為了讓大家更直觀地感受到我的厲害之處，以及研究團隊的研發實力，我就先簡單介紹一下土壤研磨過篩功能一體化技術與土壤樣品精確定量自動取樣及稱量技術。我身上的這兩項技能也是研發過程中極具原創性的兩個成果。

　　顧名思義，土壤研磨過篩功能一體化技術主要解決土壤的研磨過篩一體化，實現可以用均勻的微量樣品（0.5g—10g）進行檢測以反映待測土壤樣本（0.5Kg—2Kg）的整體性質。研磨和過篩是土壤制樣的關鍵步驟，即將土壤制成不同目數的土壤顆粒。研磨過篩一體化設計能夠防止揚塵，減少土樣流轉次數，節省人力，提高制樣效率。

　　它揭示了制樣罐公轉自轉結合方式、旋轉速度、結構，以及研磨球體積重量等因素對土壤研磨破碎和土壤顆粒流動過篩的影響關系，從而優化了土壤研磨、過篩一體化制樣罐的結構參數及運動方式，結合3D打印制造，解決了土壤的研磨過篩一體化這一問題。

　　定量稱取土壤樣品于容器中，是對土樣進行前處理的第一步，用于確定合適的待檢土壤總量以及后續準確地計算土壤待測成分的含量。

　　土壤樣品精確定量自動取樣及稱量技術通過研發的高頻振動發生器，揭示了母管中不同目數土壤顆粒在不同傾斜角度、不同震動幅度及頻率下的流動規律，闡明了土壤樣品精確取樣與震動幅度、頻率和傾斜角參數的關聯關系，確定了土壤樣品精確定量取樣所需的震動幅度、頻率和傾斜角參數，實現了土壤樣品的高精度、可控自動進樣。

　　研發團隊還設計了具有防震防風結構的自動稱量模塊，內嵌高精度分析天平，通過遠程通訊接口實現控制高頻振動發生器，讀取分析天平數據，實現對土壤樣品的精確定量稱量。

　　三個技術亮點

　　不僅如此，我身上還有三個較為突出的技術亮點——機器視覺、多臂協同與優化調度算法。

　　機器視覺是指針對化學滴定反應中的顏色識別，研究團隊設計并研發了一套基于機器視覺系統的顏色自動判斷裝置。

　　我通過攝像頭獲取彩色圖像后，計算機將模擬圖像信號數字化，系統進行RGB顏色分量匹配，從而闡明化學滴定反應中的顏色變化的閾值向量。隨后，我大腦中的系統將顏色判讀和精準加液泵的控制部件進行關聯，精確控制每步滴定量，實時判讀顏色突變情況，從而實現化學滴定反應中的顏色突變終點的自動準確判讀。

　　多臂協同指針對實驗過程中搖勻、開關瓶蓋、傾倒、移液、定容等前處理復雜動作，我擁有多種不同功能的機械臂，基于云計算，通過人工神經網絡技術和分布式控制方法，將前處理復雜動作分解為一系列機械臂精準的姿態動作優化組合序列，進行多機械臂的運動規劃、決策、協同控制，精準、高效地完成前處理復雜動作。

　　而優化調度算法則是基于云服務的實驗室信息管理調度平臺體系，以通量指標為目標，對制樣、稱量過程以及pH值、速效鉀、有效磷、全氮、有機質等42種不同指標的前處理及檢測流程步驟進行統籌調度，加入我的動作流程等因素作為決策變量，建立了各決策變量之間的關系公式與模型（AI智能決策模型）。

　　按照保證精度、效率優先的原則，進行調度的規劃實施，實現土壤樣品前處理過程的高效運轉。

　　有了上面這些技術的加持，我的出現突破了機器人代人實現復雜測土任務的系列核心算法，構建了一套覆蓋土壤全檢測過程的機器人多臂協同、多參數優化控制，機器智能識別與目標檢測等關鍵技術方法體系。

　　在我的幫助下，我國的土壤檢測形成了機器人代人穩定、準確、高效的土壤檢測新模式，實現土壤檢測全程無人化連續運行，避免了土壤檢測過程中人工操作不穩定，以及易受人工操作誤差影響的問題，從而實現檢測結果的高準確率，大大降低了檢測的人工成本。

　　通過土壤檢測指標的并行操作，大量土壤樣品能夠同時進行處理，輔助機器人自動化動作流程的優化調度，從而實現單日檢測的高通量和短周期。

　　是不是覺得我還挺像一個土壤檢測小專家？目前，我已經經過了多次的測試與應用，陸續參與了全國測土配方施肥、農業面源污染大面積監測等項目，累計處理了上萬個土壤樣品，取得了顯著的經濟、社會與生態效益。

　　小助手寄語

　　當前，我國科學家們在土壤檢測自動化方面已經具有了深厚的技術沉淀，未來將面向農產品重金屬、有機污染物檢測與大氣、水環境污染檢測的需求，研發與設計新產品，實現對農產品與農業生產環境的一站式自動化檢測，為農業高質量發展提供有力的技術支撐。

　　實驗室自動化和智能化將是未來機器人自動化技術與實驗室儀器設備領域融合創新的發展方向，中國科學院合肥物質科學研究院的科研人員將繼續推進實驗室自動化和智能化檢測的標準制定，按照實驗室檢測自動化的需求改進完善各類實驗模塊、設備與方法體系，推進整個實驗室自動化行業的快速發展。

　　來源: 中國科普博覽

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