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- 農(nóng)業(yè)傳感器通過振動識別作物，為農(nóng)業(yè)機器人提供新方案
- 來源：拜倫斯派斯 著（卡內(nèi)基梅隆大學(xué)） 發(fā)表于 2025/8/28
圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)
借助卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機器人學(xué)院（Robotics Institute, RI）研發(fā)的新型傳感技術(shù)，農(nóng)民在作物照料與采收過程中或可獲得新助力。研究人員發(fā)明了一款名為 “SonicBoom” 的工具，能夠通過作物發(fā)出的聲音來定位蘋果等農(nóng)作物。這項仍處于早期研發(fā)階段的新技術(shù)，未來有望應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機器人，助力其完成修剪藤蔓、定位隱藏在葉片間的成熟蘋果等任務(wù)。
“即便沒有攝像頭，這項傳感技術(shù)也能僅通過接觸就判斷出物體的三維形狀�！� 機器人專業(yè)五年級博士生李夢洋（Moonyoung Lee，音譯，英文名馬克李）表示。
一篇介紹該技術(shù)的論文已發(fā)表于《IEEE 機器人與自動化快報》（IEEE Robotics and Automation Letters）。
該設(shè)備或許能解決一個長期困擾農(nóng)業(yè)機器人研究人員的操作難題。農(nóng)場工人只需撥開葉片，朝著看似蘋果的位置伸手，憑借觸覺就能抓住果實。但李夢洋指出，機器人完全依賴攝像頭來引導(dǎo)機械臂與操作裝置。
“農(nóng)業(yè)場景中的操作之所以難度大，原因之一在于環(huán)境中存在大量遮擋物 —— 葉片隨處懸掛，這會屏蔽許多視覺輸入信息�！� 李夢洋解釋道。以果園為例，“果實本身可能被部分遮擋，機械臂要抵達果實所在位置的移動路徑也可能被嚴重遮擋。”
更耐用、更經(jīng)濟的技術(shù)
SonicBoom 解決了現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機器人面臨的一大問題 —— 傳感器既脆弱又笨重。傳統(tǒng)方案中，包裹在保護凝膠內(nèi)的微型視覺觸覺傳感器，在頻繁接觸植物時極易磨損或損壞；而另一種常用的壓力傳感器，則需在機械臂大面積安裝，導(dǎo)致成本過高，難以實際應(yīng)用。
與之相反，SonicBoom 依靠接觸式麥克風(fēng)工作。這類麥克風(fēng)通過與物體直接接觸來感知聲音振動，而非像傳統(tǒng)麥克風(fēng)那樣通過空氣傳聲。
李夢洋表示，大多數(shù)機器人研究人員通常不會優(yōu)先考慮接觸式麥克風(fēng)，但他的導(dǎo)師、機器人學(xué)院副教授奧利弗克羅默（Oliver Kroemer）曾使用這類設(shè)備完成分類任務(wù)，例如識別材料屬性。
工作原理
研究團隊將 6 個接觸式麥克風(fēng)組成陣列，安裝在一根 PVC 管內(nèi)部。當(dāng) PVC 管接觸到樹枝等物體時，麥克風(fēng)會探測到由此產(chǎn)生的振動。通過分析聲波的差異，研究人員能夠通過三角定位確定接觸點的位置。SonicBoom 對接觸點的定位精度可達 0.43 至 2.2 厘米。
PVC 管不僅能保護接觸式麥克風(fēng)免受損壞，其外形還類似麥克風(fēng)吊桿（boom），這也正是 “SonicBoom” 名稱的由來。最終，這些麥克風(fēng)可直接集成到機器人手臂內(nèi)部。
研究人員采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的機器學(xué)習(xí)模塊，開發(fā)出了麥克風(fēng)信號映射能力。為此，他們收集了傳感器與木桿之間 1.8 萬次接觸產(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)。
李夢洋介紹，SonicBoom 可通過音頻數(shù)據(jù)確定堅硬或剛性物體的位置。調(diào)整其結(jié)構(gòu)配置后，它還能感知蘋果等柔軟果蔬這類非剛性物體。此外，他還主導(dǎo)了后續(xù)研究（相關(guān)成果已發(fā)布至 arXiv 預(yù)印本服務(wù)器），探索該麥克風(fēng)陣列不僅能定位物體、還能識別物體類別的能力。
盡管 SonicBoom 是為農(nóng)業(yè)場景研發(fā)的，但李夢洋認為它還可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如在人員附近使用機器人時的安全防護裝置，或?qū)ｉT設(shè)計用于與人類交互的機器人；它也能在黑暗環(huán)境中發(fā)揮作用。
除李夢洋與克羅默外，研究團隊成員還包括博士生柳旭相（Uksang Yoo，音譯），以及機器人學(xué)院的讓吳（Jean Oh）、杰弗里伊赫諾夫斯基（Jeffrey Ichnowski）、喬治坎托爾（George Kantor）三位教員。
更多信息：
李夢洋（Moonyoung Lee）等，《SonicBoom：基于麥克風(fēng)陣列的接觸定位技術(shù)》，《IEEE 機器人與自動化快報》（2025 年）。DOI：10.1109/LRA.2025.3576067
瑞安斯皮爾斯（Ryan Spears）等，《農(nóng)業(yè)樹木結(jié)構(gòu)的視聽接觸分類》，arXiv 預(yù)印本服務(wù)器（2025 年）。DOI：10.48550/arxiv.2505.12665
期刊信息：《IEEE 機器人與自動化快報》（IEEE Robotics and Automation Letters）、arXiv 預(yù)印本服務(wù)器
本文由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供
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