农业传感器通过振动识别作物，为农业机器人提供新方案

图片来源：卡内基梅隆大学

借助卡内基梅隆大学机器人学院（Robotics Institute, RI）研发的新型传感技术，农民在作物照料与采收过程中或可获得新助力。研究人员发明了一款名为 “SonicBoom” 的工具，能够通过作物发出的声音来定位苹果等农作物。这项仍处于早期研发阶段的新技术，未来有望应用于农业机器人，助力其完成修剪藤蔓、定位隐藏在叶片间的成熟苹果等任务。

“即便没有摄像头，这项传感技术也能仅通过接触就判断出物体的三维形状。” 机器人专业五年级博士生李梦洋（Moonyoung Lee，音译，英文名马克李）表示。

一篇介绍该技术的论文已发表于《IEEE 机器人与自动化快报》（IEEE Robotics and Automation Letters）。

该设备或许能解决一个长期困扰农业机器人研究人员的操作难题。农场工人只需拨开叶片，朝着看似苹果的位置伸手，凭借触觉就能抓住果实。但李梦洋指出，机器人完全依赖摄像头来引导机械臂与操作装置。

“农业场景中的操作之所以难度大，原因之一在于环境中存在大量遮挡物 —— 叶片随处悬挂，这会屏蔽许多视觉输入信息。” 李梦洋解释道。以果园为例，“果实本身可能被部分遮挡，机械臂要抵达果实所在位置的移动路径也可能被严重遮挡。”

更耐用、更经济的技术

SonicBoom 解决了现有农业机器人面临的一大问题 —— 传感器既脆弱又笨重。传统方案中，包裹在保护凝胶内的微型视觉触觉传感器，在频繁接触植物时极易磨损或损坏；而另一种常用的压力传感器，则需在机械臂大面积安装，导致成本过高，难以实际应用。

与之相反，SonicBoom 依靠接触式麦克风工作。这类麦克风通过与物体直接接触来感知声音振动，而非像传统麦克风那样通过空气传声。

李梦洋表示，大多数机器人研究人员通常不会优先考虑接触式麦克风，但他的导师、机器人学院副教授奥利弗克罗默（Oliver Kroemer）曾使用这类设备完成分类任务，例如识别材料属性。

工作原理

研究团队将 6 个接触式麦克风组成阵列，安装在一根 PVC 管内部。当 PVC 管接触到树枝等物体时，麦克风会探测到由此产生的振动。通过分析声波的差异，研究人员能够通过三角定位确定接触点的位置。SonicBoom 对接触点的定位精度可达 0.43 至 2.2 厘米。

PVC 管不仅能保护接触式麦克风免受损坏，其外形还类似麦克风吊杆（boom），这也正是 “SonicBoom” 名称的由来。最终，这些麦克风可直接集成到机器人手臂内部。

研究人员采用数据驱动的机器学习模块，开发出了麦克风信号映射能力。为此，他们收集了传感器与木杆之间 1.8 万次接触产生的音频数据。

李梦洋介绍，SonicBoom 可通过音频数据确定坚硬或刚性物体的位置。调整其结构配置后，它还能感知苹果等柔软果蔬这类非刚性物体。此外，他还主导了后续研究（相关成果已发布至 arXiv 预印本服务器），探索该麦克风阵列不仅能定位物体、还能识别物体类别的能力。

尽管 SonicBoom 是为农业场景研发的，但李梦洋认为它还可应用于其他领域，例如在人员附近使用机器人时的安全防护装置，或专门设计用于与人类交互的机器人；它也能在黑暗环境中发挥作用。

除李梦洋与克罗默外，研究团队成员还包括博士生柳旭相（Uksang Yoo，音译），以及机器人学院的让吴（Jean Oh）、杰弗里伊赫诺夫斯基（Jeffrey Ichnowski）、乔治坎托尔（George Kantor）三位教员。

更多信息：

李梦洋（Moonyoung Lee）等，《SonicBoom：基于麦克风阵列的接触定位技术》，《IEEE 机器人与自动化快报》（2025 年）。DOI：10.1109/LRA.2025.3576067

瑞安斯皮尔斯（Ryan Spears）等，《农业树木结构的视听接触分类》，arXiv 预印本服务器（2025 年）。DOI：10.48550/arxiv.2505.12665

期刊信息：《IEEE 机器人与自动化快报》（IEEE Robotics and Automation Letters）、arXiv 预印本服务器

本文由卡内基梅隆大学提供

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