近年來，中國多個(gè)政策圍繞“數(shù)字中國”“鄉(xiāng)村振興”“數(shù)字鄉(xiāng)村”進(jìn)行部署，其中都提到了農(nóng)業(yè)數(shù)字化。目前，國內(nèi)大多是利用基礎(chǔ)農(nóng)業(yè)機(jī)械化工具的小型規(guī)?；r(nóng)業(yè)，總體生產(chǎn)效率并不高，而數(shù)字化、智能化農(nóng)業(yè)卻只占到國內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展的1%。

“農(nóng)業(yè)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的初級(jí)階段是農(nóng)業(yè)機(jī)械化，繼而是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、智能化，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、5G等技術(shù)的出現(xiàn)，智能農(nóng)業(yè)裝備搭載更加先進(jìn)的智能控制技術(shù)，讓農(nóng)機(jī)進(jìn)入更加智慧的人機(jī)互動(dòng)，這便是農(nóng)機(jī)2.0、3.0、4.0?！?/span>

何雄奎是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)領(lǐng)軍教授，現(xiàn)任中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)研究院院長、國家梨產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化崗位科學(xué)家與機(jī)械化研究室主任，長期從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程、藥械與施藥技術(shù)的教學(xué)與科研工作。

他在土壤耕作板塊開發(fā)了適用于低山丘陵的履帶式無人駕駛土壤耕整設(shè)備，在病蟲害管理環(huán)節(jié)開發(fā)了系列無人設(shè)備，還有可實(shí)現(xiàn)規(guī)律化投放天敵的系列空中植保無人機(jī)、自動(dòng)規(guī)劃路線的植保無人機(jī)等多種作業(yè)裝備，這些設(shè)備在農(nóng)田無人化管理中大展身手。

▲何雄奎在研究觀察梨樹冠層結(jié)構(gòu)

投身農(nóng)機(jī)夢

何雄奎來自湖北，出生在長江邊上的一個(gè)小縣城。他上小學(xué)時(shí)，有一次，學(xué)校組織在操場看露天電影。何雄奎的印象很深，那是一部蘇聯(lián)的電影，電影里出現(xiàn)了一臺(tái)他從未見過的聯(lián)合收割機(jī)，他覺得很新奇，因?yàn)槭褂寐?lián)合收割機(jī)是不需要人力的，只需要一個(gè)駕駛員。

當(dāng)時(shí)，收割水稻需要大量的人力，農(nóng)民面朝黃土背朝天，在陽光下暴曬，氣溫高達(dá)40℃，極容易中暑，十分辛苦。而電影里的聯(lián)合收割機(jī)是能夠一次完成谷類作物的收割、脫粒、分離莖稈、清除雜余物等工序，從田間直接獲取谷粒的收割機(jī)械。

“我一看見這種收割機(jī)械就覺得非常好，甚至想著將來一定要學(xué)農(nóng)機(jī)?！焙涡劭浀寐?lián)合收割機(jī)的英文是Combine，音譯成中文是康拜因，他小時(shí)候分隊(duì)玩游戲，給隊(duì)伍取名叫“康拜因”，嘴里喊著：“我是康拜因，天下無敵！”

從此，一顆關(guān)于農(nóng)機(jī)夢的種子種在了何雄奎的心中。

1985年，何雄奎考上了北京農(nóng)機(jī)學(xué)院（現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)），他讀的專業(yè)正是農(nóng)業(yè)機(jī)械化。學(xué)院里有著一批留蘇、留美的優(yōu)秀教授，何雄奎虛心向他們請(qǐng)教如何選擇研究方向。張勝虎教授提議何雄奎去觀察老家農(nóng)田里農(nóng)作物農(nóng)藥是如何噴灑的。

“張教授說，南方的病蟲害防治很重要，所以他讓我去觀察農(nóng)民是如何打藥的，看看能不能提出一種讓農(nóng)藥噴灑更加合理的改進(jìn)方法?！焙涡劭貞浀馈?/span>

在當(dāng)時(shí)，研究病蟲害植保技術(shù)的人很多，但研究農(nóng)藥是否噴灑均勻的人卻很少。張教授認(rèn)為，植物保護(hù)領(lǐng)域是很有價(jià)值的研究領(lǐng)域，值得更多的人去探索。“沒有人研究的時(shí)候我去研究，這就是一件很有意義的事情。”就這樣，何雄奎開啟了農(nóng)作物施藥技術(shù)與設(shè)備的研究之路。

何雄奎最初研究的是一種新農(nóng)藥產(chǎn)品除草劑的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在研究的過程中，他發(fā)現(xiàn)了噴灑除草劑的很多問題，并且深刻感受到自己對(duì)這個(gè)領(lǐng)域知之甚少。他開始頻繁出入圖書館，了解到歐洲最開始使用的手動(dòng)噴霧器是中國最先發(fā)明應(yīng)用的，但歐洲人后來淘汰了手動(dòng)式噴霧器，因?yàn)樗鼰o法均勻地噴灑農(nóng)藥?！拔伊私獾竭@些問題，非常感興趣，到山西、河北、北京的農(nóng)田里做了大量的實(shí)驗(yàn)，基于這些實(shí)驗(yàn)順利寫完了畢業(yè)論文，并且完成得很好?！焙涡劭院赖鼗貞浀?。

隨著學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深入，何雄奎覺得自己所學(xué)的知識(shí)還不夠，應(yīng)該到農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)達(dá)的歐洲國家去學(xué)習(xí)。1992年，何雄奎前往德國霍恩海姆大學(xué)攻讀碩士和博士學(xué)位。

到德國后，何雄奎看到研究所里各種各樣的大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，深知德國的農(nóng)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)機(jī)械化、智能化的時(shí)代，“機(jī)器人看到有蟲子，就能判斷是什么蟲，比如說是蚜蟲，它就會(huì)用專門殺蚜蟲的藥；看到地上長雜草了，它能分析出是馬齒莧，然后噴灑除草劑。”

很快，何雄奎參與到一個(gè)農(nóng)藥噴霧機(jī)器人的研發(fā)項(xiàng)目中，它的底盤是奔馳公司生產(chǎn)的，控制系統(tǒng)是西門子公司生產(chǎn)的，噴霧系統(tǒng)是何雄奎在德國的導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)研究出來的，他也是其中主要研究人員之一。

為了研發(fā)這樣一個(gè)噴霧機(jī)器人，霍恩海姆大學(xué)農(nóng)業(yè)工程所投資了30萬歐元。何雄奎很不理解，他經(jīng)常思考：這個(gè)機(jī)器這么先進(jìn)，這么智能，但是又這么貴，沒有哪個(gè)農(nóng)民用得起，未來有沒有市場？

何雄奎把他的疑惑告訴了導(dǎo)師，聽到何雄奎的疑惑，他的導(dǎo)師大笑：“雄奎，你知道嗎？我們的研究永遠(yuǎn)要超過我們的時(shí)代10年甚至20年。雖然沒有一個(gè)農(nóng)民用得起，但是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的模式一定要做出來。”這樣超前的思維讓何雄奎深刻地意識(shí)到，作為一個(gè)科研工作者應(yīng)該永遠(yuǎn)走在科學(xué)研究的前沿，這樣才能走得更高，走得更遠(yuǎn)。

知識(shí)助力農(nóng)業(yè)發(fā)展

2000年10月，何雄奎完成了自己在德國霍恩海姆大學(xué)的博士學(xué)業(yè)，回到了祖國，入職中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，他的研究方向沒有改變，繼續(xù)深耕植保機(jī)械領(lǐng)域。帶著從德國學(xué)到的新技術(shù)和新知識(shí)，何雄奎拿到了國家“十五”攻關(guān)的重點(diǎn)項(xiàng)目“高效施藥技術(shù)與機(jī)具研究開發(fā)”。

在項(xiàng)目攻關(guān)的過程中，何雄奎根據(jù)我國果園對(duì)病蟲草害防治的要求，應(yīng)用光機(jī)電一體化技術(shù)、自動(dòng)化控制等技術(shù)研制成功了果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)系列機(jī)，這也是我國第一臺(tái)植保噴霧機(jī)器人。

果園自動(dòng)對(duì)靶噴霧機(jī)采用的紅外探測器技術(shù)，不但對(duì)靶準(zhǔn)確，還可實(shí)現(xiàn)間歇噴霧。何雄奎笑稱，這是從廁所里學(xué)到的技術(shù)，“我在德國留學(xué)的時(shí)候，看到他們那里的馬桶是自動(dòng)沖水的，覺得很神奇，就去詢問老師自動(dòng)沖水的原理是什么。老師告訴我說，這是通過紅外線探測實(shí)現(xiàn)的”。就這樣，何雄奎研制出了第一個(gè)在植保上使用的紅外對(duì)靶傳感器。

“我們非常高興，我的學(xué)生和團(tuán)隊(duì)都為之一振！”但何雄奎并沒有滿足于此，他開始了新一輪的研究。為進(jìn)一步提高農(nóng)藥利用率，提高果園噴霧機(jī)自動(dòng)化與精準(zhǔn)噴霧作業(yè)性能，他和團(tuán)隊(duì)在多年研究探索的基礎(chǔ)上，成功研制出基于LIDAR（light detection and ranging，LIDAR激光掃描傳感器）探測的果園自動(dòng)仿形精準(zhǔn)變量噴霧機(jī)。

何雄奎介紹說，果樹樹冠是一個(gè)立體空間的靶標(biāo)，冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)與邊界輪廓具有多邊無序的特點(diǎn)。不同生長期、不同部位的枝葉茂密程度與葉面積指數(shù)并不相同，最理想的施藥效果是噴霧機(jī)輸出的風(fēng)量和噴霧量與果樹不同部位的冠層結(jié)構(gòu)相匹配，實(shí)現(xiàn)仿形噴霧效果，同時(shí)降低噴霧作業(yè)過程中農(nóng)藥霧滴的飄移與流失，提高農(nóng)藥有效利用率。

激光掃描傳感器可以根據(jù)果樹冠層分布特點(diǎn)，從掃描樹冠輪廓、建模、決策、計(jì)算風(fēng)量噴霧量到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和噴頭流量，實(shí)現(xiàn)高效無死角精準(zhǔn)噴霧與均勻沉積。噴霧機(jī)識(shí)別距離0～10米；噴霧決策響應(yīng)時(shí)間≤0.5秒；最小識(shí)別間距0.3米；用方木作為人工靶標(biāo)模擬冠層密度，結(jié)果顯示測量誤差可控制在10%以內(nèi)。

正是因?yàn)橥黄屏斯麡洳煌课还趯咏Y(jié)構(gòu)與風(fēng)量和噴霧量難以匹配的難題，提高了農(nóng)藥有效利用率，降低了噴霧作業(yè)過程中農(nóng)藥霧滴飄移與流失，果園自動(dòng)仿形精準(zhǔn)變量噴霧機(jī)被評(píng)為2021年中國農(nóng)業(yè)農(nóng)村重大新裝備之一。

如果說，以上的植保機(jī)械做到了機(jī)械的精準(zhǔn)，那么藥理的精準(zhǔn)也是何雄奎必須考慮的事情。

▲何雄奎與團(tuán)隊(duì)成員在討論循環(huán)噴霧機(jī)霧滴回收系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

科學(xué)用藥

“我在農(nóng)村里打過藥，背著個(gè)藥箱，夏天又熱，左手要上下加壓，右手要擺動(dòng)噴桿噴霧，非常辛苦?！焙涡劭f道。如今，中國人口突破14億，耕地卻只有19.18億畝。如果沒有農(nóng)藥，中國的糧食要減產(chǎn)30%到40%?！叭绾慰茖W(xué)合理地使用農(nóng)藥”是何雄奎一直思索的事情。

何雄奎經(jīng)常把打農(nóng)藥的霧滴比作子彈，把打農(nóng)藥的機(jī)械比作槍?！霸囅胍幌?，你用手槍打航母，用導(dǎo)彈打壞人，這合適嗎？顯然不合適?！蹦敲?，能不能做到哪里需要藥就打到哪里？針對(duì)不同的農(nóng)藥與防治對(duì)象，選用各自合適的霧滴大小噴霧，需要多的地方多打，需要少的地方少打，沒有病蟲害的地方不打呢？就這樣，精準(zhǔn)施藥的概念誕生了。

為了推進(jìn)我國精準(zhǔn)施藥技術(shù)的發(fā)展，何雄奎帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)開展科技攻關(guān)?！拔覀冄邪l(fā)了計(jì)算機(jī)控制噴霧系統(tǒng)，它是由噴桿分段控制閥、總控制閥、控制面板、傳感器、中央處理器組成的變量噴霧控制系統(tǒng)，搭配噴霧計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)面板上可顯示噴頭壓力、噴頭類型、霧滴大小，以及施藥量等信息。”何雄奎介紹道。他和團(tuán)隊(duì)還研制了一批人工智能大田變量噴霧技術(shù)裝備，如自走式高地隙低量導(dǎo)流防飄人工智能變量噴桿噴霧機(jī)，實(shí)現(xiàn)了地隙、輪距等均可調(diào)節(jié)功能。

除了霧滴大小，何雄奎和他的團(tuán)隊(duì)還會(huì)利用先進(jìn)的傳感技術(shù)，減少農(nóng)藥噴灑?！氨热缯f我們的雷達(dá)激光傳感器，可以把整個(gè)作物冠的株形大小、葉面指數(shù)等都分析出來，葉子多的地方多噴，少的地方少噴，沒有的地方不噴。這種機(jī)器在梨、蘋果地里頭，能節(jié)省60%的農(nóng)藥噴灑。”

何雄奎和團(tuán)隊(duì)還積極與大疆創(chuàng)新（下稱“大疆”）這家無人機(jī)領(lǐng)域的“獨(dú)角獸”企業(yè)合作，開發(fā)農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)?！按蠼呢?fù)責(zé)人和我說，他們要把之前不能量產(chǎn)的無人機(jī)變成一個(gè)老百姓用得起的‘鋤頭’。”2015年4月，極飛發(fā)布了第一款植保無人機(jī)；11月，大疆發(fā)布了首款農(nóng)業(yè)植保機(jī)MG-1S，此后農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)的研發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展階段。

“對(duì)中國來說，在三四十年前，如果想用無人機(jī)打藥，這是不可能的事情；但隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種各樣的傳感器技術(shù)以及智能化的控制，還有北斗系統(tǒng)建成開放，科學(xué)家將這些技術(shù)集成起來，就可以滿足各種各樣的機(jī)械化、智能化的打藥需求?！焙涡劭牢康卣f道。

向農(nóng)業(yè)智能化邁進(jìn)

2020年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)成立了中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)研究院（下稱“研究院”），由何雄奎擔(dān)任院長，落地北京平谷國家農(nóng)業(yè)創(chuàng)新示范區(qū)-農(nóng)業(yè)中關(guān)村，占地面積1萬多平方米。研究院成立以來承擔(dān)智慧農(nóng)業(yè)示范項(xiàng)目4項(xiàng)，在平谷建設(shè)300畝智慧果園。

智慧果園以“大物移云”（大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算）為支撐，農(nóng)業(yè)智能裝備（機(jī)器人）為手段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、優(yōu)化決策、精準(zhǔn)控制、精細(xì)管理，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全。目前除農(nóng)業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)研究院5名教師入駐智慧果園外，團(tuán)隊(duì)中還有3名專項(xiàng)博士后和8名博、碩士研究生等科研人員。

下一步，何雄奎將繼續(xù)與華為、大疆等公司進(jìn)行深度合作，除了平谷智慧果園項(xiàng)目外，還將在延吉智慧果園、云南紅河智慧煙草等多個(gè)項(xiàng)目上開展技術(shù)攻關(guān)和合作創(chuàng)新，開發(fā)出讓農(nóng)民真正能用上的、好用的技術(shù)裝備，幫助農(nóng)民提高生產(chǎn)效率。

面向未來，何雄奎希望經(jīng)過3～5年的建設(shè)與發(fā)展，將研究院建設(shè)成為立足北京、服務(wù)全國、面向世界的一流農(nóng)業(yè)無人裝備系統(tǒng)研究院，將研究院打造成為國際知名農(nóng)業(yè)無人裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、應(yīng)用研究和教育培訓(xùn)中心。

“我們的革命尚未成功，很多機(jī)器還達(dá)不到完全適合農(nóng)民的輕簡化生產(chǎn)需要。未來，我們將致力于讓農(nóng)業(yè)無人智能裝備更簡單、更便宜，讓大家用著更舒心?！?/span>