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何雄奎:空中有无人机,地上有机器狗,我用它们来精准打农药

我是科学家iScientist微信公众号 2021年01月22日 报道 浏览次数:

教授问:“雄奎,你怎么不说话啊?”

我死死抓住门把手,说:“教授,速度这么快,我害怕。”

他哈哈大笑,说:“是,我们已经进入了一个机械化的时代。你们中国也已经开始了。”

“雄奎,你在想什么?”教授问我。

“教授,这样一个机器,有哪个农民能用得起?”

“雄奎啊,你知道吧?我们的研究,永远要超前时代一、二十年。”我始终记着教授给我讲的这句话。

2020年9月19日,“科普中国-我是科学家”第25期演讲现场,中国农业大学理学院教授、中国农业大学植保机械与施药技术研究中心主任何雄奎带来演讲:《农药的智慧喷洒,守护环境和你的餐桌安全》。

以下为何雄奎演讲实录:

2020.9.19 天津

我是何雄奎,来自中国农业大学植保机械与施药技术研究中心。我研究农药使用——不是普通的使用方法,而是用无人机系统来喷洒农药。

这是我们团队研发的世界上第一架多旋翼电动无人机。在上面的动画中大家会看到,它在喷洒农药。

提到“无人机”,大家眼里的无人机,一般是这样的——当然它确实也是无人机。

但我要告诉大家:无人机概念很广,不仅仅天上飞的叫“无人机”,更多地面上的无人机系统也叫“无人机”。

到今天,地面的无人机系统已经非常智能了。农业生产中各种各样的无人机系统,它们可以耕地,可以插秧,可以收割,可以打药……打药过程中,它甚至能够做到哪里有病虫害、哪里有杂草我就打哪里,不需要的地方我就不打。

我为什么要研究这个东西?要从我自己的成长过程讲起。

我来自湖北,生长在长江边上的一个小县城。大概40多年前,我刚刚上小学,那时候我们还是在露天的操场上看电影。有一次,我们看到了一个苏联的片子,里面有类似上面这张照片中的联合收割机——哦?收割不需要人,我觉得很新奇。

当时,每逢江南收割水稻,农民都是面朝黄土背朝天,弯腰背驳,太阳光很强烈,温度高达40多度,挺难挺累的。所以,当时我看到这种收割载于机械化的做法,就说这个好,我将来要学这个。我记得,这种联合收割机(Combine)有个音译名称“康拜因”,我们小时候分队玩游戏,我们的队名就叫“康拜因”,还说,“我是康拜因,天下无敌!”当时就对机械很崇拜。

后来我真的上大学了,报的就是中国农业大学,学的就是农业机械。

从这时起,我就开始思考:随着经济发展,年轻一代都到城里去寻找幸福,农村里的人越来越少——那谁来种地?谁来生产粮食?我们必须用机械取代人;但在机械取代人的过程中,还是要有人参与,我们把这个过程叫“机械化的农业时代”。

随着学习进一步深入,我觉得现在的知识还不够,应该到国外去学习。所以,我大学毕业后就到德国念硕士和博士。我的研究所在斯图加特市,步行去奔驰汽车公司总部只要10分钟。

这是我和我的导师Prof.S.Kleisinger

初到德国,导师去机场接我。从机场到学校要走高速,当时是上世纪80年代初,中国还没有高速。我在车速表上看到时速到了160公里,在路上紧张了半天,不敢说话。

教授问:“雄奎,你怎么不说话啊?”

我死死抓住门把手,说:“教授,速度这么快,我害怕。”

他哈哈大笑,说:“是,我们已经进入了一个机械化的时代。你们中国也已经开始了。”

到德国后,看到研究所里耕整播耙都有各种各样的大型农业机械,觉得星级水平真是不一样。

在中国农业大学读书的时候,我们学农机的同学都有驾驶执照,可以开车自己下地干活。在德国,我第一次下地坐的是联合收割机,那么大的收割机,开完还是有点累。

到80年代中后期、90年初期,在发达国家,农业机械进入了一个智能化的时代。当时我参与了一个农药喷雾机器人的研发项目,它的底盘是奔驰公司生产的,控制系统是西门子公司生产的,喷雾系统就是我教授的团队研究出来的,我也是其中主要研究人员之一。

30年前,为了研发这样一个喷雾机器人,我们霍恩海姆大学农业工程所投资了40万欧元——要知道,当时德国生产的奔驰350新车才3-5万欧元。

整个研究过程中,我经常思考:这个机器这么先进,遇到害虫比如蚜虫,机器人就找出杀蚜虫的药,遇瓢虫就找杀瓢虫的药,遇到杂草比如稗草,机器人就找除草剂,遇到马齿苋就找杀马齿苋的药——它这么智能,但又这么贵,没有哪个农民用得起,未来有没有市场?因为德国人非常讲究挣不挣钱。

我始终都在想这个问题,不说话。

“雄奎,你在想什么?”教授问我。

“教授,这样一个机器,研究花了这么多钱,将来工厂化以后,很明显也要20多万。即便德国很富了,但有哪个德国农民能用得起?”

教授的回答是:这台机器,目前没有一个德国农民愿意掏钱来买它——但我们的科研创新,必须要走在时代的10年到20年之前。”

确实如此。

1997年,我还在德国做博士研究。那年春节,当时农业部农机化司的魏司长来德国访问,我给他当翻译。大年三十那天,我们一起在研究所里观看中国的春节联欢晚会。

《红高粱模特队》小品片段

那年,赵本山演了个小品《红高粱模特队》,里面有个打药的片段。我看了就跟他讲,赵本山是干过活的人——你看,他这个位置打药,这边压,这边走,弯着腰,背着药箱,肯定有生产实践经验——因为我们也是这么干的。

魏司长想了半天。回饭店后,他问我:“何老师,你未来回中国,能不能让这个药箱飞起来?”他接着说,“我在农村里打过药,背着个药箱,夏天又热,左边要用左手上下加压,右手要摆动喷杆喷雾,然后药有时候甚至会往下滴漏,非常艰苦。”

今天,中国有14亿人口,耕地只有18亿亩。如果没有农药,我们要减产30%到40%,所以,不用农药在今天是不可能的。那么,“如何科学合理地使用农药”就是我们必须考虑的事情。

我经常把打农药的雾滴比作子弹,把打药的机械比作枪,打不打得死鬼子就要看我们的施药技术(也就是打枪技术)。如果说,你用步枪打死敌人没问题,但用步枪去打航母行吗?打不了。反过来再讲,用打航母的导弹打蚊子行吗?也不行,会浪费。

所以,我们在使用农药的过程中,一定要注意科学合理使用。

选择正确的药物来防治病虫草害、以及用大小合适的雾滴打到正确的地方,这就是精准施药技术的概念。

后来,经过30来年的工作努力,我们终于在中国让药箱飞起来了。

大疆跟我们合作,研发出了很多植保专业的无人机。到目前为止,我国有200多家生产植保无人机厂家。植保无人机不仅可以很好地用在粮食作物生产上,还把我们一个自动对靶喷雾的技术运用到了山区果园上面。

大家知道,我国土地少、人口多,没法像美国和欧洲那样把果品种在平原上,而是种在山坡上。拖拉机很难进入,所以,从前都是农民背着药箱下地打药,何等艰难。现在,我们可以让无人机飞在山巅之上仿地形飞行,哪里有树叶我就打,没有树叶我不打,非常智能。

实际上,智能喷雾精准施药的概念来自“人”。

在上世纪六七十年代之前,全世界都很少使用农药;到70年代,全球人口持续增加,化学农药和肥料的使用也在随之增加。在这个过程中,欧美国家发现,农药是把双刃剑,一方面防治病虫草害,使粮食作物增产,让我们吃饱了;但另一方面,毕竟“是药三分毒”,农药在作物上的残留,对土壤和环境都有一定的负面影响。

所以有人就想,能不能做到哪里需要药就打到哪里?需要多的地方我多打,需要少的地方我少打,没有病虫害的地方我不打——精准施药的概念,就来自人工的思考和智能。

三四十年前,我们想用无人机打药,不可能;但随着经济发展,技术发展,我们研发了很多新型技术,包括各种各样的传感器技术以及智能化的控制,还有北斗系统。我们将这些技术集成起来,就可以满足各种各样的打药需求。

左上角的小图中,灰色的部分是我该按导航行走的喷药路线轨迹,但有了北斗系统,机器自己就会精确轨迹。大家可以看到,机器走到哪,就把哪个喷头打开,其他的关闭,完全是无人化的作业。这样的技术,也得益于我们国家经济技术整体水平的提高。

我一再强调,“无人机”的概念不仅仅是常规天上飞的小无人机。小无人机那么小,药箱也小。大的地块,小药箱行吗?所以我们未来的希望,还是应该放在大型地面机械的无人机。

2015年,全国粮食工作会议在河南省鹤壁市召开。中央台当时展示了我们团队研发的农药喷雾机器狗。这个药箱有500升,喷幅有12米,不仅有在空中飞的,也有地面走的。

之后,我们还根据不同地区研发了不同类型的地面无人驾驶系统,进行无人作业,精准喷施农药。比如,农机进江南水田作业,不能让机械下陷;东北和华北地区是旱地,则需要考虑别的问题。

针对经济作物,我们还研发了自动对靶技术,做成了果园喷雾机。

过去有句话说,学好数理化,走遍天下都不怕——其实这个技术也没有很奥妙,背后就是数学和物理知识。

比如,用一个激光传感器,把激光打过去,然后它反馈过来,整个果树冠层的信息就建立起来了。

拍摄一张果树照片,把原始图像通过灰度处理、初值化、平滑化,可以做出一张喷雾作业的处方图,放在芯片里,就能实现“哪有树叶我就打,哪里没有我就不打”。

在整个过程中,我能感受到时代在前进,那么,我们的创新是不是也应该跟上?

“雄奎啊,你知道吧,我们的研究永远要超前时代一二十年”——我始终都记着教授给我讲的这句话。

从创新的角度讲,我们的研究要始终走在时代前列。正因如此,中国的植保无人机系统,不仅是天上飞的,还包括地上跑的,在整个农业机械的研究里弯道超车,配置水平超过了最发达的欧美国家,同时也使农业机械进入了一个智能化时代。

从2015年开始投入研发,到今年为止,深圳大疆公司一共销售了大概8万台植保无人机(当然还包括很多大型地面机械),仅2019年一年就销售了3万台,经济价值很可观。

但我也想送大家一句话,“革命尚未成功”。我们很多机器还达不到完完全全适合农民的轻简化生产需要,我们还处于一个工业级、还没达到傻瓜化的水平。未来,我们将致力于让无人作业系统更简单、更便宜,让大家用着更舒坦。

谢谢大家。

演讲嘉宾何雄奎:《农药的智慧喷洒,守护环境和你的餐桌安全》| 摄影:Vphoto

作者:何雄奎

监制:吴欧

策划:麦芽杨

编辑:麦芽杨 凝音

排版:凝音

校对:凝音

我是科学家iScientist微信公众号2021年1月22日

责任编辑:刘铮
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