生而燦爛 莫負年華
——記江蘇大學農業裝備工程學院農業信息化研究所所長劉繼展

□ 劉玉杰 范佳樂

劉繼展

隨著生活水平的提高，我國百姓對飲食方面的要求也變得更高，越來越注重營養均衡，各類瓜果便成為日常飲食中不可缺少的重要角色。番茄、甜椒、黃瓜、蘋果、葡萄、椰子、櫻桃……各類新鮮果實鋪滿貨架，色彩斑斕、香氣撲鼻，令人垂涎欲滴。

這些大大小小的果實，不僅形狀不一，質地也大相徑庭，有些硬邦邦堅如磐石，比如椰子；有些則嬌滴滴晶瑩剔透，比如葡萄。那么，外觀誘人、數量龐大的各種水果，又是怎么低本高效、毫發無損地采摘下來的呢？這個問題，即使夸張如“日啖荔枝三百顆”的水果酷愛者，可能也從來沒有想過。來自江蘇大學農業裝備工程學院農業信息化研究所的劉繼展所長，恐怕是最合適回答這個問題的專家之一了。他在農業裝備研究領域默默耕耘近20年，只為實現自動化、智能化的鮮食用果采摘。

回首科研路 花開伴艱辛

劉繼展相繼于江蘇大學（原江蘇理工大學）機械制造及其自動化專業和機械設計及理論專業獲得學士、碩士學位，并與農業領域結緣，成為農業生物環境與能源工程專業的博士。他面向鮮食用果生產的現實需求，傾力于農業機器人基礎研究與技術攻關，從攻讀博士和作為年輕科研工作者一路走來，為此傾注滿腔熱情，收獲累累碩果。“農業生產是我國的命脈，我國農業裝備化水平提高也很快，大田生產的綜合機械化率已經超過80%”，采訪時，劉繼展說，“但果蔬生產的機械化水平不超過30%，目前還普遍處于‘無機可用’或者‘無好機可用’的狀態，存在很多空白，成為實現農業全面現代化的巨大短板。”

這位臉頰略顯清瘦、目光炯炯有神的青年學者，20年如一日埋首于溫室果園智能裝備的研發。他笑著坦言：“我們做農業裝備的一個特點，就是大量的時間要‘泡’在田間和農場，而且需要作業的時節，往往處于高溫的夏季。”

采訪劉繼展時，正值近40℃的高溫席卷全國，每每到了這個季節，卻也正是劉繼展帶著學生們在田間地頭實踐研究成果的時節。對于沉醉于科研的劉繼展來說，對于這樣“足蒸暑土氣，背灼炎天光”的日子并不感到辛苦，反而很欣慰：“這對我自己和我的研究生也是很大的鍛煉，在學校實驗室內，往往感受不到這樣的緊迫性，到現場以后，目睹果蔬生產機械化的迫切需求和惡劣條件，反而激發了學生們的主動性和潛力。”

就是在這樣不計條件、不求回報的全情付出下，劉繼展帶領團隊，圍繞溫室、果園生產的全程智能裝備與技術開展了多年研發，并逐漸形成了土壤基質管理、秧苗種植、水肥管理、植保、空中管理、收獲、分級運輸等系列智能化裝備成果，部分已量產并投入生產應用。

攻堅克難 填補國際空白

發達國家以規模化、標準化方式實現果蔬生產，同時其加工用果蔬占70%以上，相比于鮮食用果蔬的生產，加工用水果對成熟度、損傷、磕碰等方面的要求低很多，20世紀60年代歐美主要國家的加工用果蔬生產就已經實現了全面機械化，果蔬裝備以大型化的修剪、施藥、振動采收與喂入式采收機為主覆蓋生產的各個環節。

我國各類果園面積達近2億畝，是全球第一大水果生產國，菜用果面積、產量也遙遙領先。但是，我國生產的絕大多數果蔬用于鮮食，同時生產規模偏小且規格眾多，難以實現大規模的機械化生產。目前我國溫室果園機械以小型土地耕整機械為主，近年來除草機械、修剪機械、地面與航空植保機械、山地運輸機械等有了一定的發展，產后的集中分選設備已逐步成熟，但是收獲、授粉、疏花疏果、現場分選、綁枝套袋等大量作業仍無機可用，大量管理作業均需要人工完成。隨著勞動力成本急升和人口的迅速老齡化，解決果蔬生產的全面機械化問題已迫在眉睫。

據劉繼展介紹，以果園底盤配置耕整部件、升降平臺、噴霧系統形成各類管理作業裝備，適應郁閉果園、南方行間大排水溝果園、丘陵果園的底盤技術成為主要核心技術，現有輪式與履帶通用底盤均難以有效解決果園行間的高通過性、防翻安全性和多動力輸出問題，這是國外大型標準果園機械化作業所無需面臨的問題。

同時，他說，果園升降管理機作為人工空中作業的輔助設備，近年來發展迅猛，在多人配合駕駛和作業的大型化升降管理機產品基礎上，單人獨立操作作業的小型化果園升降管理機產品也相繼問世，為果園的管理作業提供了更多輔助設備選擇。但目前各類升降管理機產品仍普遍面臨對不同地形、栽培模式、行間條件的適應問題，同時平臺的便捷擴展、調平與防翻等技術，已成為擴展空中作業空間和提高作業安全性、便捷性的熱點技術。

特別是我國85%的果蔬用于鮮食，也即采摘后直接進入超市和菜場，對成熟度、外觀、品質、保鮮期的要求大大提升，因此我國對農業機器人的應用更為急迫、要求也更高。面向蘋果、梨、柑橘、葡萄、草莓、菠蘿等大宗鮮食水果，以選擇性作業為特征的機器人套袋、采收等技術，是滿足我國以鮮食水果生產為主的人力替代的客觀需要。經過多年的研究積累，相關技術已取得了飛速進步和重大突破，但主要受限于現有種植方式下果品在樹冠的隨機分布，機器人作業的實施難度過大。通過農藝—農機的深度融合破解機器人采收、套袋等作業的瓶頸已成為共識。

帶領學生參加第一屆中國研究生機器人創新設計大賽

“我國在這方面的研究比國外要滯后20至30年，我們從2000年以后才開始研究，幾乎是從零起步，克服了很多困難，突破了很多瓶頸”，他不無自豪地表示，“目前我們國家在這個領域的研究已經迅速趕超上來，可以說與國外處于同步并跑水平，在少數領域已經能夠達到國際領先。”他表示，這與黨和國家的高度重視和大力支持是分不開的，科研人員、科研經費和科研力量的投入力度非常之大，目前，農業機器人的研發重心已經從美國、日本等發達國家，轉移到了中國。

劉繼展沒有辜負黨和國家的期望與重托，正如他所信奉的人生格言：“生而燦爛，莫負年華”。他帶領團隊，沒日沒夜埋首于科研第一線，相繼研究開發出多種創新型溫室、果園智能裝備，填補了多項空白，包括：

基質攤填裝備——“基質自動挖料上料機”“基質自動移動攤鋪機”：基質自動挖料上料機克服現有裝備不具備移動作業能力，無自動取料能力之不足，滿足不同場所或位置的基質堆料上料、裝箱需要。基質自動移動攤鋪機實現人工極少介入的全程自動基質上料與架上均勻攤填和100mm高度誤差自動仿形作業，解決高架栽培的基質攤鋪與更換難題。

秧苗移栽裝備——“高架/高壟草莓苗自主移栽機”：針對長育苗期超大草莓苗、設施特殊栽培作業環境和弓背向外的特殊移栽要求，提出完全不同于現有各類半自動、全自動移栽機的全新技術方案，突破了光電弧形陣列導航、全輪轂電機仿形底盤、打孔放苗精準定位、一插式自動換盤等新技術，實現草莓等大苗移栽向高架、高壟的打孔、取苗、移苗、放苗一體全自動作業。

果園耕整裝備——“果園自變速寬深開溝施肥機”：能夠滿足果園行間500*400mm寬深開溝需求，配有履帶式無級變速底盤，矮化機身，保證行間通過性，一鍵式作業啟停和電磁式動力切斷，實現了果園復雜環境條件下自變速調控與安全保護。

智能植保裝備——“果園智能雙擺式彌霧施藥機”和“遙控式擺動霧化施藥機”：果園智能雙擺式彌霧施藥機能夠擺動彌霧施藥，霧滴細小，噴施均勻，藥液耗量僅為常規風送噴霧的1/20～1/10，并且小巧輕便，無須底盤動力，操作極為簡便，一鍵即可達到啟停，實現果園復雜環境條件下的藥量精確預警和缺液保護。遙控式擺動霧化施藥機采用遙控式作業，履帶底盤，霧化噴筒、自主擺動噴施，體型小巧，可滿足溫室各類作物的植保需要。

果園管理裝備——“自動防翻型單人操控小型升降管理機”：可以滿足坡地等各類復雜環境下單人駕駛操控的空中升降作業需要，行駛速度可達1.4m/s，長寬僅1.2m*0.8m，機上手柄集成操控，收放式上下無障礙通道，多工況的誤操作安全保護與自動防翻系統。

果實收獲裝備——“球形果柔性采摘機器人”、“細長瓜果柔性采摘機器人”和“葡萄串果柔性采摘機器人”：球形果柔性采摘機器人具有自主開發激光切割—柔順夾持式末端執行器、自動真空吸持技術與新型真空發生系統、雙目視覺系統。細長瓜果柔性采摘機器人具有自主開發伸縮—旋轉多關節式機械臂、自主開發夾剪一體式末端執行器、輪式自主移動底盤、雙目視覺系統。葡萄串果柔性采摘機器人具有新型RealSense識別—導航技術、剪叉式升降與少關節臂式結構、空中就近放果與回收技術、履帶式全地形底盤、超輕小機身。

現場轉運裝備——“果實自動分級接卸果運輸車”：適用于溫室、果園的果實現場分級、分類機械化運輸，無需駕駛，實現人工或機械采收的自動跟隨作業，多隔箱分類分級旋轉放果（料）、箱門啟閉、卸果全部自動化，可以實現菜農雙手隨采隨放的自動分選運輸，也可以和采摘機器人構成主—從協同作業系統，大大提高果菜收獲作業效率。

勇于亮劍 挑戰采摘機器人

在采訪中，劉繼展談得比較多的是采摘機器人。

機器人被譽為“制造業皇冠頂端的明珠”，其研發、制造、應用是衡量一個國家科技創新和高端制造業水平的重要標志。而機器人化果蔬采摘被公認為最具挑戰性的機器人技術之一，其研究更需要通過生物力學、優化設計、先進感知與智能控制等的高度融合來有力推動。

我國是全球果蔬第一生產大國和消費大國，各主要果蔬品類產量均高居全球首位，以果蔬為主體的園藝業總產值占種植業總產值的45%，在江蘇、山東等省份更高達70%，成為我國農業增收和出口創匯的核心產業。

但同時，正如上文所提到的，我國果蔬以鮮食為主的特點極為鮮明，鮮食果蔬產量占總產量的85%以上。作為勞動密集型產業，各類水果、菜用果生產不僅管理環節眾多，且大量套袋去袋、采收等作業需針對不同果實逐一實施，常規機械化作業方式完全無用武之地。

目前我國果品生產中人工成本比例已高達50%，更主要集中在無法常規機械化作業的套袋去袋和采摘等環節上，其對人工的依賴已成為我國果品產業發展的巨大瓶頸。以葡萄為例，目前，葡萄的采摘主要依靠有經驗的人工雙手協作進行托扶和剪切，且極易碰傷、剪傷果粒，大大影響葡萄的品級和保質期。據統計，采摘季節勞動力成本高達每人每天160元以上，每畝的人工采收投入超過4000元。

在國外進行研究交流

與女兒合影

因此，以更加智慧化的機器人技術，盡快破解套袋、去袋、采收關鍵管理環節的“機器換人”問題，成為我國乃至全球果品產業持續、高效發展的關鍵。

圍繞采摘機器人，劉繼展作為第一負責人和第二負責人，先后承擔了5個國家基金項目以及省市的多項科研課題，十幾年如一日傾力于相關的理論研究與應用開發，在采摘機器人基礎理論研究與裝備研發形成了鮮明特色并產生了重要影響，為推動該領域的發展做出了重要貢獻。

劉繼展率先提出了機器人采摘中的夾持碰撞與快速無損收獲問題，并在國家自然科學基金等項目的支持下，圍繞“快速無損收獲”主題形成了力學特性與互作規律、建模仿真、設計方法、樣機開發、控制優化的技術體系，體現了采摘機器人研究的多學科高度融合特征，關于黏彈對象的夾持碰撞、植物體激光切割、真空吸持拉動的植株—果實響應、基于個體差異性的性能概率分布等研究，具有突出的創新性和重要價值。

他在采訪中透露：“目前，我們在進一步拓展無損采摘機器人的應用范圍，從原有的番茄、柑橘等單果無損采摘，拓展到近五六年針對葡萄等串果的無損采摘，這里所說的‘無損’，包括了作業過程中的防止果粒脫落、防止果粒損傷，從原理上來說，就是從原有的動態流變特性互作規律基礎上的進一步拓展，將力學與生理、生化進行結合，都在持續開展研究。”

就在劉繼展接受采訪的前一天，他又承擔起了新的科研項目——圍繞葡萄的機器人化采摘和套袋作業，“多功能人形化機器人”的重大課題正式立項。他說：“希望通過更緊密的協同創新，來克服我們本身的一些知識結構上的不足，能夠更快地推進人工智能和機器人的深度融合，實現采摘、套袋機器人技術從實驗室階段到服務于生產的重要跨越。”

實驗探討

科研路上不停歇策馬揚鞭勇奮蹄

作為以農機起家、最早系統開展農機教育的高校，江蘇大學是國內農業裝備研究領域的“龍頭”。從讀研究生開始，劉繼展就師從這個領域的兩位知名專家——碩士和博士生導師李萍萍教授、合作導師及博士后導師毛罕平教授，一心撲在農業裝備和農業機器人上，展開了相應的研究。在大團隊的協作下，劉繼展多次以項目主持人或合作主持人的身份，完成多項重要科研項目，獲得過多種國家、省部級科技領域的獎勵，奠定了自己在國內乃至國際上的學術地位。

劉繼展的科研之路愈走愈堅定，愈走愈自信，羽翼漸豐的他開始向更高的山峰挑戰，承擔起更多的重任。“在這個基礎上，我和相關老師以及博士碩士研究生又著重圍繞農業機器人和智慧農業裝備這一塊，形成了一個更緊密的小團隊。”近年來，劉繼展帶領著自己的小團隊在采摘機器人領域取得了豐碩的科研成果，并出版了46萬字的專著《番茄采摘機器人快速無損作業研究》，這也是目前國內外在該領域唯一一部學術專著。

在學術之路上永不滿足的劉繼展，計劃在已經取得的成果基礎上，進一步深化，更加注重協同創新。他邀請江蘇大學計算機學院、深圳市智能機器人研究院和國家農業智能裝備工程技術研究中心的專家加盟，組成學科更為廣泛、研究更為深入的大團隊。“未來的工作計劃主要分為兩個方面”，他說，一方面是將目前比較接近或已經投入農業生產的智慧裝備盡快和企業結合，使產品更加人性化，作業效率與可靠性顯著提高，逐步推向市場，使技術有所用。另一方面，在農業機器人領域，他希望提高科研能力，加快研發速度，多出科研成果，未來2至3年內，再有2至3部相關專著和產品級機器人樣機問世，擁有發明專利數達到70項以上，填補更多的領域空白。

劉繼展對今后的道路充滿信心：“我想，未來3年是我們要花大力氣攻關的階段，因為這將決定我們是不是能夠上一個更高的臺階。”