圖片來源：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)

借助卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人學(xué)院（Robotics Institute, RI）研發(fā)的新型傳感技術(shù)，農(nóng)民在作物照料與采收過程中或可獲得新助力。研究人員發(fā)明了一款名為 “SonicBoom” 的工具，能夠通過作物發(fā)出的聲音來定位蘋果等農(nóng)作物。這項(xiàng)仍處于早期研發(fā)階段的新技術(shù)，未來有望應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)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(wù)。

“即便沒有攝像頭，這項(xiàng)傳感技術(shù)也能僅通過接觸就判斷出物體的三維形狀�！� 機(jī)器人專業(yè)五年級(jí)博士生李夢(mèng)洋（Moonyoung Lee，音譯，英文名馬克李）表示。

一篇介紹該技術(shù)的論文已發(fā)表于《IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》（IEEE Robotics and Automation Letters）。

該設(shè)備或許能解決一個(gè)長(zhǎng)期困擾農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究人員的操作難題。農(nóng)場(chǎng)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(shí)。但李夢(mèng)洋指出，機(jī)器人完全依賴攝像頭來引導(dǎo)機(jī)械臂與操作裝置。

“農(nóng)業(yè)場(chǎng)景中的操作之所以難度大，原因之一在于環(huán)境中存在大量遮擋物 —— 葉片隨處懸掛，這會(huì)屏蔽許多視覺輸入信息。” 李夢(mèng)洋解釋道。以果園為例，“果實(shí)本身可能被部分遮擋，機(jī)械臂要抵達(dá)果實(shí)所在位置的移動(dòng)路徑也可能被嚴(yán)重遮擋�！�

更耐用、更經(jīng)濟(jì)的技術(shù)

SonicBoom 解決了現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)器人面臨的一大問題 —— 傳感器既脆弱又笨重。傳統(tǒng)方案中，包裹在保護(hù)凝膠內(nèi)的微型視覺觸覺傳感器，在頻繁接觸植物時(shí)極易磨損或損壞；而另一種常用的壓力傳感器，則需在機(jī)械臂大面積安裝，導(dǎo)致成本過高，難以實(shí)際應(yīng)用。

與之相反，SonicBoom 依靠接觸式麥克風(fēng)工作。這類麥克風(fēng)通過與物體直接接觸來感知聲音振動(dòng)，而非像傳統(tǒng)麥克風(fēng)那樣通過空氣傳聲。

李夢(mèng)洋表示，大多數(shù)機(jī)器人研究人員通常不會(huì)優(yōu)先考慮接觸式麥克風(fēng)，但他的導(dǎo)師、機(jī)器人學(xué)院副教授奧利弗克羅默（Oliver Kroemer）曾使用這類設(shè)備完成分類任務(wù)，例如識(shí)別材料屬性。

工作原理

研究團(tuán)隊(duì)將 6 個(gè)接觸式麥克風(fēng)組成陣列，安裝在一根 PVC 管內(nèi)部。當(dāng) PVC 管接觸到樹枝等物體時(shí)，麥克風(fēng)會(huì)探測(cè)到由此產(chǎn)生的振動(dòng)。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(diǎn)的位置。SonicBoom 對(duì)接觸點(diǎn)的定位精度可達(dá) 0.43 至 2.2 厘米。

PVC 管不僅能保護(hù)接觸式麥克風(fēng)免受損壞，其外形還類似麥克風(fēng)吊桿（boom），這也正是 “SonicBoom” 名稱的由來。最終，這些麥克風(fēng)可直接集成到機(jī)器人手臂內(nèi)部。

研究人員采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，開發(fā)出了麥克風(fēng)信號(hào)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(chǎn)生的音頻數(shù)據(jù)。

李夢(mèng)洋介紹，SonicBoom 可通過音頻數(shù)據(jù)確定堅(jiān)硬或剛性物體的位置。調(diào)整其結(jié)構(gòu)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(dǎo)了后續(xù)研究（相關(guān)成果已發(fā)布至 arXiv 預(yù)印本服務(wù)器），探索該麥克風(fēng)陣列不僅能定位物體、還能識(shí)別物體類別的能力。

盡管 SonicBoom 是為農(nóng)業(yè)場(chǎng)景研發(fā)的，但李夢(mèng)洋認(rèn)為它還可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例如在人員附近使用機(jī)器人時(shí)的安全防護(hù)裝置，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)用于與人類交互的機(jī)器人；它也能在黑暗環(huán)境中發(fā)揮作用。

除李夢(mèng)洋與克羅默外，研究團(tuán)隊(duì)成員還包括博士生柳旭相（Uksang Yoo，音譯），以及機(jī)器人學(xué)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(mèng)洋（Moonyoung Lee）等，《SonicBoom：基于麥克風(fēng)陣列的接觸定位技術(shù)》，《IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》（2025 年）。DOI：10.1109/LRA.2025.3576067

瑞安斯皮爾斯（Ryan Spears）等，《農(nóng)業(yè)樹木結(jié)構(gòu)的視聽接觸分類》，arXiv 預(yù)印本服務(wù)器（2025 年）。DOI：10.48550/arxiv.2505.12665

期刊信息：《IEEE 機(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)》（IEEE Robotics and Automation Letters）、arXiv 預(yù)印本服務(wù)器

本文由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供