Cómo los científicos desarrollaron una mano robótica para recoger moras en Arkansas

Imagine un robot bípedo autónomo con 10 brazos, cada uno con pinzas de silicona de tres dedos en la punta, abriéndose paso entre hileras de moras, y tendrá una idea de lo que podría deparar el futuro para las granjas de moras que enfrentan una escasez de mano de obra.

Investigadores en Arkansas y Georgia han demostrado que las delicadas zarzamoras del mercado de productos frescos, típicamente recolectadas por manos humanas para mantener la calidad, ahora también pueden ser recolectadas por robots.

"Imagínese un robot caminando por una granja de moras, pero el robot tiene 10 brazos", dijo Renee Threlfall, científica investigadora en ciencias de los alimentos de la Estación Experimental Agrícola de Arkansas, el brazo de investigación de la División de Agricultura del Sistema U of A.

Threlfall y otros tres autores han estado investigando la recolección robótica y recientemente recibieron el Premio a la Publicación Sobresaliente de Frutas de la Sociedad Estadounidense de Ciencias Hortícolas por su trabajo. El premio reconoció un artículo sobre la investigación que sentó las bases para desarrollar una mano robótica suave para desarrollar un robot autónomo para recoger moras.

La investigación para establecer parámetros de fuerza para recoger moras fue financiada en parte por una subvención del Fondo de Innovación y Colaboración del Canciller de la U of A con Yue Chen, anteriormente profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la U of A. Chen ahora es profesor asistente en los departamentos de ingeniería biomédica del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Emory. Una subvención en bloque de cultivos especiales del Departamento de Agricultura de Arkansas también apoyó la investigación inicial.

Andrea L. Myers fue la autora principal de la publicación como estudiante de posgrado en ciencias de la alimentación en la U de A. Colaboró ​​con Threlfall, junto con Chen y Anthony Gunderman, estudiante de doctorado en robótica en el Instituto de Robótica y Máquinas Inteligentes de Georgia Tech. Gunderman fue previamente estudiante de doctorado en ingeniería mecánica en la U de A.

El artículo de 2022, "Determinación de los parámetros de cosecha manual y los impactos de comercialización poscosecha de las moras frescas para desarrollar una pinza robótica suave para la cosecha robótica", se publicó en la revista HortScience.

Myers dijo que el primer paso en el proceso de este proyecto fue establecer la cantidad de fuerza necesaria para recolectar moras a mano con el menor daño a la fruta. Resulta que para cosechar una mora se necesita aproximadamente la mitad de 1 Newton, una unidad de fuerza. Simplemente, se podría pensar en 1 Newton como el esfuerzo requerido para levantar un objeto pequeño como una manzana o una barra de chocolate, dijo Myers.

Para determinar la cantidad de fuerza necesaria para recoger una mora y causar el menor daño posible a la mora, el equipo del proyecto ideó fundas de silicona para los dedos con sensores biométricos que miden la fuerza utilizada por una mano humana para agarrar y recolectar una mora.

Con el aparato de detección de fuerza usado por un humano, Myers recolectó más de 2000 moras de los productores comerciales Sta-N-Step Farm y Neal Family Farm de Arkansas en 2020. Los datos mostraron que el pulgar aplicó la fuerza más alta, seguido del medio. dedos índice y anular. Se eligieron cuatro variedades de mercado fresco desarrolladas en Arkansas: Natchez, Osage y las marcas registradas Prime-Ark Traveler y Sweet-Ark Caddo. Las moras se evaluaron después de 21 días de almacenamiento en frío a 35 grados Fahrenheit.

Los investigadores compararon la calidad de las moras con y sin el aparato de detección de fuerza, y los resultados mostraron que las fundas para los dedos no afectaron la calidad de la baya. La investigación también mostró que solo se necesitaban tres apéndices, en lugar de cuatro, para cosechar una mora.

La segunda fase de la investigación se realizó en 2021 con los colaboradores Chen y Gunderman durante su tiempo en la U of A, donde se desarrolló una pinza robótica suave de tres puntas, impulsada por tendones, utilizando una cuerda de guitarra gruesa como tendón. Las fuerzas aplicadas para agarrar, estabilizar y cosechar las moras con la pinza no causaron daños excesivos después del almacenamiento en frío durante 21 días.

Sin embargo, la fruta cosechada con la pinza en 2021 tuvo un 11 % más de fugas y un 7 % más de reversión de las drupas rojas (cuando los segmentos redondos individuales de la mora vuelven del negro al rojo) que la fruta cosechada a mano. El equipo del proyecto publicó otro artículo en 2022 en IEEE Robotics and Automation Letters que describe la implementación de la pinza titulada "Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting".

"Cuando las moras maduran en la planta, se vuelven de color rojo a negro. Sin embargo, durante o después de la cosecha, las bayas de las bayas pueden volverse rojas, especialmente si la baya se daña durante la cosecha", dijo Threlfall. "El color rojo después de la cosecha no tiene que ver con la madurez, sino con el daño a la estructura celular. Esto es importante porque el USDA tiene estándares y grados para esta reversión de drupa roja, por lo que si un cierto porcentaje de moras en un contenedor tienen reversión de drupa roja, se rechazan".

Más información: Andrea Myers et al, Determinación de los parámetros de cosecha manual y los impactos de comercialización poscosecha de las moras frescas para desarrollar una pinza robótica suave para la cosecha robótica, HortScience (2022). DOI: 10.21273/HORTSCI16487-22

Anthony Gunderman et al, Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting, IEEE Robotics and Automation Letters (2022). DOI: 10.1109/LRA.2022.3143891

Proporcionado por la Universidad de Arkansas