- 農業傳感器通過振動識別作物，為農業機器人提供新方案
- 來源：拜倫斯派斯 著（卡內基梅隆大學） 發表于 2025/8/28
圖片來源：卡內基梅隆大學
借助卡內基梅隆大學機器人學院（Robotics Institute, RI）研發的新型傳感技術，農民在作物照料與采收過程中或可獲得新助力。研究人員發明了一款名為 “SonicBoom” 的工具，能夠通過作物發出的聲音來定位蘋果等農作物。這項仍處于早期研發階段的新技術，未來有望應用于農業機器人，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。
“即便沒有攝像頭，這項傳感技術也能僅通過接觸就判斷出物體的三維形狀。” 機器人專業五年級博士生李夢洋（Moonyoung Lee，音譯，英文名馬克李）表示。
一篇介紹該技術的論文已發表于《IEEE 機器人與自動化快報》（IEEE Robotics and Automation Letters）。
該設備或許能解決一個長期困擾農業機器人研究人員的操作難題。農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機械臂與操作裝置。
“農業場景中的操作之所以難度大，原因之一在于環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、更經濟的技術
SonicBoom 解決了現有農業機器人面臨的一大問題 —— 傳感器既脆弱又笨重。傳統方案中，包裹在保護凝膠內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，導致成本過高，難以實際應用。
與之相反，SonicBoom 依靠接觸式麥克風工作。這類麥克風通過與物體直接接觸來感知聲音振動，而非像傳統麥克風那樣通過空氣傳聲。
李夢洋表示，大多數機器人研究人員通常不會優先考慮接觸式麥克風，但他的導師、機器人學院副教授奧利弗克羅默（Oliver Kroemer）曾使用這類設備完成分類任務，例如識別材料屬性。
工作原理
研究團隊將 6 個接觸式麥克風組成陣列，安裝在一根 PVC 管內部。當 PVC 管接觸到樹枝等物體時，麥克風會探測到由此產生的振動。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免受損壞，其外形還類似麥克風吊桿（boom），這也正是 “SonicBoom” 名稱的由來。最終，這些麥克風可直接集成到機器人手臂內部。
研究人員采用數據驅動的機器學習模塊，開發出了麥克風信號映射能力。為此，他們收集了傳感器與木桿之間 1.8 萬次接觸產生的音頻數據。
李夢洋介紹，SonicBoom 可通過音頻數據確定堅硬或剛性物體的位置。調整其結構配置后，它還能感知蘋果等柔軟果蔬這類非剛性物體。此外，他還主導了后續研究（相關成果已發布至 arXiv 預印本服務器），探索該麥克風陣列不僅能定位物體、還能識別物體類別的能力。
盡管 SonicBoom 是為農業場景研發的，但李夢洋認為它還可應用于其他領域，例如在人員附近使用機器人時的安全防護裝置，或專門設計用于與人類交互的機器人；它也能在黑暗環境中發揮作用。
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：基于麥克風陣列的接觸定位技術》，《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，《農業樹木結構的視聽接觸分類》，arXiv 預印本服務器（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 預印本服務器
本文由卡內基梅隆大學提供
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