清明已至，细雨朦胧，茶香清幽。4月4日一早，杭州市西湖龙井一级产区、西湖景区内梵村的茶园里，浙江理工大学研发的第五代采茶机器人正双臂挥舞，与数名采茶工一同抢抓上好明前茶的最后“黄金期”。
据了解，目前浙江省采茶工年龄多为60岁以上，且省内平均每年采茶工需求量为150余万人次，仅3月中旬至4月上旬的需求量便为50余万人次。而眼前的第五代智能采茶机器人，已基本实现一台机器替代一个工人。如何破题采茶用工之难、赋能农业发展？踽踽独行的浙江理工大学农业机器人与装备创新团队先行探路，给出答案。
从不可能到可能“数字茶业”迎来发展新模式
俗话说，早采三天是宝，迟采三天是草。茶叶采摘质量的好坏，直接影响茶叶产量、品质和茶树生长发育。在中国现代茶业中，一般将茶叶分为名优茶和大宗茶，大宗茶茶叶采摘对茶叶形状要求无严格要求，常以割采的方式，将茶叶切割而下。而采摘名优茶是门精细活，名优茶叶梢细嫩，生长的位置、姿态和密集程度不一，特别在微风和光照变换的环境下更难辨别，所以名优茶茶园约60%的劳动力用于采摘。
在经验十足的老茶农眼里，用大块头的机器人代替灵巧的双手采摘名优茶，无异于茶园里“绣花”，难度极大，基本“不可能”实现。近年来，农业劳动力老龄化趋势明显加剧，招工难、用工贵已成为名优茶产业发展的瓶颈，在大田移栽、林果采收、农业机器人装备研究具有特色和优势的浙江理工大学农业机器人与装备创新团队只能“迎难而上”。
2019年初，国家茶叶产业技术体系岗位科学家、浙江省科协副主席武传宇教授从国家茶叶产业技术体系接下这个“不可能”项目，带领团队加快了技术研发，提高了茶叶嫩芽识别率、定位精度，并对自制的机械臂、末端机械手、茶园行走底盘、主控系统等关键部件进行了茶园实地整机综合试验，2022年又获浙江省农业“双强”重点突破试点项目和“领雁”研发攻关计划项目的支持，加快了研发速度。
据悉，团队研发的第三代采茶机器人采用了稳固性与灵活性兼顾的轨道式行走底盘，还在识别系统中，搭建了一套深度卷积神经网络的识别模型，通过对大量茶树芽叶图像数据的学习，自动识别茶树芽叶，同时，使用双目摄像头扫描茶叶，形成三视维实现3D定位，从而精准找到芽叶所在位置。机械臂再根据定位信息找准芽叶的叶柄，末端的小剪刀“咔嚓”一剪，使芽叶从枝头分离，同时，附在机械臂末端的负压吸管会把剪下来的芽叶吸进茶篓。
“三年时间，浙江理工机器人团队每天都要经历无数次试错与调试，终于实现从第一代智能采摘机器人摘一颗嫩芽需要十几秒，到现在第三代智能采摘机器人只需要2.5秒，芽叶识别准确率能达到82%左右，采摘成功率达到40%。”国家茶叶产业技术体系成员、浙江理工大学机械工程学院副教授贾江鸣说，“这个速度对于苹果、番茄等容易识别的农作物，已经足够用了。但是对于茶叶一天一个变化，茶树嫩芽、老芽的区别不是很大，形状又不规则，识别和定位的难度大大提升。”
贾江鸣说，第三代采茶机器人意味着名优茶机械化采摘实现了从“不可能”到“可能”的跃升，“数字茶业”迎来新的发展模式，但其速度与精准度的差强人意，使得农业机器人团队再次扎进实验室与茶园的无数次奔走中。
从可能到可行“智慧农业”打开发展新局面
“第五代智能采茶机器人采一颗芽叶时间在1.5秒左右，1小时可以采摘2千多颗，一天可以采4斤左右的芽叶，已基本实现一台机器替代一个工人，且可以做中端龙井茶。”谈起最新进展，浙江理工大学机械工程学院农业机械党支部书记陈建能教授难掩兴奋。
仅经过一年时间，采茶机器人采摘的茶叶，已完成了从质量欠佳到可做名优茶的转变。而西湖龙井芽叶长2厘米左右，厚度最小仅为1-2毫米。茶园里“绣花”，何以在机械手中从“可能”到“可行”?
陈建能说，智能采茶研究始终面临着四大难题：识别难、定位准、采摘速度高、错综复杂的茶园地形。也正因如此，智能采茶机器人代表了农业机械的最高水平。而本次革新，便是针对此四大难题的进一步攻克。
艰难方显勇毅，磨砺始得玉成。在人工智能深度学习以及高精度传感器两项技术基础之上，团队中的核心成员桂江生副教授、贺磊盈副教授、李亚涛博士带领研究生通过大量学习图像数据，进一步提升芽叶识别率，自研高效处理算法提高采摘精度，并在第四代采茶机器人由单机械臂变为双机械臂的基础上，进一步增加了机械臂的活动范围，大大提升了采摘效率。为了扩大采茶机器人的适应场地，团队还将第四代采茶机器人的轨道式行走改变为履带式行走，并通过增加太阳能板的形式，实现了机器人自供电。
据悉，鉴于智能采茶机器人研发的复杂程度，项目组充分发掘校内人才资源，与来自计算机、信息电子等学院的20多名师生组成茶叶团队，并划分出机械、人工智能、算法、定位等多个小组。通过不同领域技术人才的充分结合，向着智能采茶机器人市场应用的目标不断前行。如今，第五代智能采茶机器人识别准确率已达到86%，采茶成功率在60%以上，并获得了中国农业科学院茶叶研究所专家的肯定与认可。
陈建能说，“第五代采茶机器人的成效，验证了农业智能采茶是可行的。这一方面为茶行业做好了技术储备，有利于解决劳动力‘断代’等用工难问题，为浙江省茶产业的可持续健康发展提供了‘茶科技’支撑，另一方面有利于推动更多人认识、带动、参与到经济作物的智能采摘中来，进而促进整个社会‘智慧农业’的发展。”
从2007年开始，浙江理工大学农业机器人与装备创新团队的智能采摘之路，已走过15年。“与前几代相比，第五代智能采摘机器人不仅能采茶，还能采得很好，说明我们的研发已完成技术集中攻坚。”陈建能说。接下来，团队将继续开展实验与研发，进一步提高采摘效率、降低成本，实现茶叶采摘机器人从“可行”到“可用”“好用”的转变，助力茶农提产增收，为“智慧农业”贡献力量、为共同富裕添砖加瓦。（记者 武佳奇、张楠楠）