Kosmiczna technologia weźmie się za pomidory. Naukowcy łączą siły

– Zbieranie owoców i warzyw może być funkcjonalnie podobne do zbierania próbek na Księżycu czy Marsie – opowiada prof. Krzysztof Piotrowski z Instytutu Leibniza IHP we Frankfurcie nad Odrą. Wspólnie z naukowcami polskiego Centrum Badań Kosmicznych PAN, niemiecka jednostka realizuje transgraniczny projekt MobiRobAI.

MobiRobAI to projekt badawczy współfinansowany przez unijny program INTERREG dla obszaru Brandenburgia-Polska. W jego ramach międzynarodowy zespół opracowuje dwa prototypy robotów wyposażonych w sensory wspomagane sztuczną inteligencją. Jedna maszyna będzie zbierać szklarniowe pomidory, druga – weryfikować stan paneli słonecznych na farmach fotowoltaicznych. Celem jest zbudowanie urządzeń do pracy w ziemskich warunkach, które po modyfikacji odpowiednich modułów można w przyszłości dopasować do zastosowań kosmicznych.

Za sterowanie robotem oraz integrację oprogramowania ze sprzętem odpowiada CBK, z kolei IHP przygotowuje metody rozpoznawania obrazu i systemy sensoryczne. – Ale każdy etap realizujemy wspólnie – podkreśla prof. Piotrowski, ekspert od bezprzewodowych sieci sensorycznych i inteligentnych systemów IoT (internetu rzeczy).

Obydwie instytucje współpracowały już wcześniej, m.in. przy projekcie "SpaceRegion", który w całości koncentrował się na robotyce kosmicznej. Partnerzy zajmowali się wtedy wdrażaniem rozwiązania do sterowania manipulatorem kosmicznym w czasie rzeczywistym.

– Tym razem schodzimy na Ziemię – uśmiecha się prof. Piotrowski. – Ale nie w sensie uproszczeń czy mniejszych ambicji – zastrzega. W czerwcu br. instytucje połączyły też siły w innym transgranicznym programie „SpectralRiver”, zakładającym stworzenie zintegrowanego systemu do monitoringu jakości wód w Odrze.

Składanie robota przypomina budowanie z klocków Lego. MobiRobAI potrzebuje platformy jeżdżącej lub latającej do poruszania się, zestawu czujników do zbierania informacji ze środowiska, komputera analizującego sygnały, i ramienia albo innego mobilnego manipulatora do wykonywania przydzielonych zadań. Komponenty, które miałyby działać w próżni, przy dużych wahaniach temperatury czy podwyższonym promieniowaniu musiałyby spełniać inne wymagania niż te przeznaczone do pracy na Ziemi. Konstrukcja maszyny pozwala na podmianę elementów w zależności od scenariusza użycia.

– Jeśli nauczymy się, jak rozpoznawać pomidory, zbierać je i wkładać do skrzynek, to w następnym kroku możemy sobie wyobrazić budowę układu do zbierania próbek skał na Marsie – zauważa prof. Marek Banaszkiewicz z Laboratorium Dynamiki Manipulatorów Satelitarnych w Centrum Badań Kosmicznych PAN, którym przez lata również zarządzał. To właśnie ta jednostka pełni funkcję partnera wiodącego w projekcie MobiRobAI. – Tworzymy rozwiązanie pożyteczne na Ziemi, a zarazem to doskonały poligon treningowy dla nas.

Pomidory można ukręcać z szypułki, zrywać albo odcinać z fragmentem łodygi. Aby wybrać najlepszą metodę, zespół przestudiował ponad 50 publikacji o dostępnych na rynku rozwiązaniach technicznych. Ponieważ MobiRobAI jest fizycznie montowany w zielonogórskim Parku Technologii Kosmicznych, badacze na bieżąco konsultują pomysły z regionalnymi plantatorami.

– Bardzo dobrze współpracuje się z mniejszymi producentami. Wykazują zainteresowanie przedsięwzięciem, udostępniają nam szklarnie, opowiadają o pomidorach. Dużo się przy okazji uczymy – zauważa prof. Banaszkiewicz.

Zdecydowano się wykorzystać robotyczne ramię do ścinania. Komponent waży 10 kg i kosztuje 25 tys. euro. Oprócz funkcji tnącej i chwytnej, ramię musi w precyzyjny sposób układać zebrane owoce w skrzynkach – jedną warstwę szypułkami do góry, kolejną do dołu – tak, aby pomidory nie uszkadzały się nawzajem. Dzięki oprogramowaniu wspomaganemu sztuczną inteligencją maszyna rozpoznaje stopień dojrzałości owocu i podejmuje decyzję o zebraniu go. System jest uniwersalny: parametry można dowolnie rekonfigurować, dostosowując robota do obsługi innych upraw.

– Klienci sami będą precyzować, co taki robot powinien robić. Maszyna ma być praktycznym narzędziem, a nie tylko drogą zabawką – tłumaczy Piotrowski.

Na zebranie jednego owocu MobiRobAI będzie potrzebował ok. dziesięciu sekund. Wprawiony człowiek w godzinę może zerwać nawet całą alejkę pomidorów, czyli średnio 400 dojrzałych sztuk. Przewagą robota nie jest szybkość, lecz fakt, że może pracować bez przerw i zmęczenia, dzień i noc.

Dużym zaskoczeniem okazało się podłoże szklarni. Zamiast ziemistego gruntu, zespół zastał na podłodze systemy szyn i rur wykorzystywane do ogrzewania roślin oraz prowadzenia platform, z których pracownicy zbierają pomidory. – Musieliśmy zweryfikować nasze pierwotne założenia, ale szybko zmodyfikowaliśmy koncepcję nawigacji i przemieszczania robota – opowiada prof. Banaszkiewicz.

Szkielet maszyny to stalowa rama, która jeździ po szynach osadzonych między alejkami szklarni. MobiRobAI może poruszać się dzięki odczytywanym przez kamerę znacznikom lub informacjom z dalmierza laserowego. Cały robot waży ok. 250 kg, czyli tyle co klasycznie używane w ogrodnictwie wózki nożycowe mniejszych gabarytów. Autonomiczny robot nie musi wytrzymywać obciążenia człowieka ani transportować wielu skrzynek na raz (bo przekładanie ich i tak byłoby trudne bez drugiego ramienia), więc w komercyjnych wersjach można zredukować jego masę, wybierając aluminium i kompozyty oraz lżejsze akumulatory.

Równolegle z robotem szklarniowym rozwijany jest drugi prototyp – dron do kontroli farm fotowoltaicznych. Początkowo zakładano, że do obu zadań posłuży jeden uniwersalny układ z modyfikowalnym ramieniem. Specyfika odmiennych środowisk pracy wymusiła jednak zaprojektowanie dwóch niezależnych urządzeń.

Dron ma przelatywać nad panelami i, wykorzystując kamery termowizyjne, wykrywać zwarcia elektryczne, ponieważ uszkodzone miejsca emitują zwykle więcej ciepła. Gdy system zidentyfikuje zabrudzoną powierzchnię, robot wypuści bezprzewodową myjkę podobną do tych automatycznie czyszczących okna. Po wykonaniu zadania zabierze sprzęt, w razie potrzeby w stacji dokującej odnowi zapas detergentu i doładuje akumulatory, a następnie przeniesie w kolejne miejsce.

Projekt rozpoczął się w październiku 2024 r. i potrwa do marca 2027 r., ale tempo prac częściowo wyznacza natura. Przy bezśnieżnych warunkach, drona można testować zimą, ale w przypadku pomidorów czasu jest mniej, bo zbiory kończą się już około listopada. Do tego momentu zespół chce zakończyć próby. Wyniki działań naukowcy będą później prezentować na konferencjach i targach branżowych.

Całkowity budżet MobiRobAI to ponad 822 tys. euro. Aż 80 proc. finansowania pochodzi ze środków polityki spójności Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego (INTERREG), której celem jest wspierać rozwój gospodarczy i współpracę lokalnych społeczności oraz instytucji przy współpracach transgranicznych.

W perspektywie lat 2021-2027 programy INTERREG VI A dla polsko-niemieckiego pogranicza dysponują budżetem ponad 270 mln euro na badania naukowe i przedsięwzięcia technologiczne, a także projekty związane z ochroną środowiska, edukacją, kulturą czy ochroną zdrowia.

– Inicjowanie projektów o dużym potencjale innowacyjnym jest cenne dla regionu. Młodzi widzą, że nie trzeba wyjeżdżać do Warszawy, żeby zajmować się nauką – zauważa prof. Banaszkiewicz. Przy realizacji MobiRobAI obroniono już nawet kilka prac inżynierskich.

Po obu stronach granicy mniejsze ośrodki akademickie zmagają się z dysproporcjami względem wielkich metropolii. Frankfurt nad Odrą czy Chociebuż, naturalnie dysponując mniejszymi kadrami i skromniejszym budżetem, rywalizują o talenty z Berlinem. Łączenie kompetencji oraz możliwości Brandenburgii i województwa lubuskiego pomaga skutecznie zmniejszać ten dystans.

– Myślę, że wspólnie znaczymy więcej – ocenia prof. Piotrowski. Obok badań w IHP rozwija relacje z Uniwersytetem Zielonogórskim i BTU w Chociebużu. Kieruje tzw. „Joint Labs”, czyli wspólnym ekosystemem zespołów naukowych Instytutu i obu uczelni oraz chce zacieśniać współpracę w trójkącie Frankfurt nad Odrą – Zielona Góra – Chociebuż, tak aby młodzi naukowcy mogli zdobywać międzynarodowe doświadczenie. Sam pod koniec studiów na UZ wyjechał na praktyki do IHP, gdzie ostatecznie pozostał rozwijać karierę naukową.

Wspomina swoje początki w IHP i to, jak przekraczanie granicy wiązało się z koniecznością okazywania dokumentów. – Przechodząc przez most, człowiek musiał się legitymować – mówi. –Tymczasem dziś Słubice i Frankfurt to dla mnie tak naprawdę jedno miasto.

W nauce granice państwowe się zacierają, ale różnice językowe czy kulturowe nadal potrafią utrudniać komunikację. – Zapewne łatwiej byłoby się porozumieć, gdybyśmy mówili tym samym językiem – zauważa prof. Piotrowski.

– To nie jest projekt, który potem wyląduje w szufladzie – zastrzega prof. Piotrowski. – Jednym z założeń jest transfer zdobytego know-how do przemysłu.

Wypracowane rozwiązania posłużą jako baza do przyszłych projektów badawczych.

– W sektorze kosmicznym niezbędne jest podejście holistyczne – zaznacza prof. Banaszkiewicz. – Podobnie przy MobiRobAI nie chcieliśmy poprzestać na demonstracji, jak robot rozpoznaje pomidora. Zależało nam na stworzeniu kompletnego rozwiązania.

Zespól czerpie bezpośrednio z doświadczeń branży. Poza Ziemią nie ma miejsca na testowanie pojedynczych komponentów, wprowadzanie doraźnych poprawek czy kosztowną naprawę błędów. Budowany na polsko-niemieckim pograniczu robot wpisuje się w tę filozofię – ma funkcjonować w pełni niezawodnie, autonomicznie i z realnym pożytkiem w praktyce.

Autor: Beata Serwatka.