PopSci 问答:机器人掌握了给鸡去骨的艺术

利用3D成像和自主机械臂,更快速、更高效地拆解禽类
Gary W Meek

为鸡、鸭或其他禽类去骨,可能是一项艰巨且令人不愉快的工作——就连茱莉亚· Childs都说“因为害怕”会耗时太长。但只要有耐心和一把合适的刀,任何人都可以做到。那么,机器人呢?

机器人或许能够协助进行手术,但在某些方面,屠宰鸡肉更具挑战性,而佐治亚理工学院的工程师们正希望解决这个问题。

他们新的智能切割和去骨系统使用3D摄像头和力反馈算法来确定正确的切割位置。

据佐治亚理工学院研究学院食品加工技术部主管Gary McMurray介绍,家禽是佐治亚州最大的产业之一——如果桃子州是一个国家,它将是世界第六大家禽生产国。所以,很多鸡都来自佐治亚州,而许多佐治亚州的农场可以从自动化中受益。

McMurray和他的同事们正在设计一款自主的鸡肉屠宰机器人,使用一对机械臂。一个手臂有两自由度,用于在平面上进行简单的切割。另一个手臂则抓握住禽类,并具有六自由度,可以将禽类相对于刀具调整到任何期望的位置。

控制这种定位的算法非常复杂,用于开发这些算法的数学模型可以用于其他机器人肉类切割场景——无论是屠宰其他类型的牲畜,还是用于外科手术。PopSci采访了McMurray,讨论了制造机器人屠宰工以及每秒处理两只鸡的困难。
以下是我们对话的编辑版文字记录。

PopSci:为什么自动去骨鸡的过程如此困难?

Gary McMurray:在汽车行业、电子行业、食品行业——任何从事制造业的人都在追求“批量为一”的生产模式,即你生产的每一件产品都是独一无二且定制化的。例如,福特希望能够建立一个工厂,这个工厂只接受订单。一分钟内可以生产Explorer,下一分钟就可以生产Fiesta——每辆车都是独特且不同的。这是一个非常难解决的问题,但这就是我们试图通过这个智能切割系统来解决的问题。每一只禽类都是独特且不同的,不仅是它的解剖结构,还包括它在锥体上的放置方式。

你必须观察每一只禽类,并做出决定。你无法看到禽类内部,也就无法了解它的解剖结构,所以你必须适应。这就是人类所做的——人类以一种令人难以置信的方式完成了这一切。

想想你在节日里为火鸡雕刻。你通常知道刀在哪里下。你有时会用手感受,但你会把刀刃插进去开始切割。你感觉到脊骨,然后你就能够引导刀刃。在家禽加工线上,这非常困难,因为他们试图处理的数量非常大。但这是人类做得相当不错的一件事。

PS:这个机器是如何决定在哪里切割的?

GM:我们有两个立体摄像头来识别外部点,以及一个6自由度的力矩传感器,刀片就连接在这个传感器上,所以我们可以感应到刀片上的力。机器人提供位置和速度反馈,告诉我们移动的速度。

我们使用禽类上的三个外部点,并能够预测内部结构,猜测一些关键骨骼的位置。这能达到大约3毫米的误差,虽然不完美,但已经相当不错了。我们使用图像处理来识别这些点,并为每只禽类创建唯一的名义切割轨迹。肩关节的位置,这是我们试图切割的一个主要部位,可能会有大约四分之一英寸的误差。

我们拥有高速力控算法,因此当刀片第一次接触到骨头时,它可以引导刀片绕过骨头,而不会切到骨头。我们希望能够检测到我们是在切割肉、肌腱还是骨头。如果你在切割肉或肌腱,那是好事。一旦你碰到骨头,那就是坏事。你需要做出决定:是拔出刀,绕过骨头,还是做其他什么?你要确保不会产生骨碎片或骨屑。

PS:你能像新西兰Scott Technologies开发的自动化羊肉去骨房那样,使用X射线来确定精确的骨骼位置吗?

GM:他们(羊肉加工商)能够负担得起使用这些不同的传感方式,因为他们收集数据的时间较长。一些羊肉加工厂,他们可能每30秒处理一只羊,有些每分钟处理一只。在家禽加工厂,我们进行去骨任务,他们每两秒钟处理一只禽类。他们没有时间——禽类过得太快了。

PS:这个问题中最困难的部分是什么?

GM:所有这些都极具挑战性,因为其中许多根本就不存在。力控在某种意义上是比较简单的问题,因为有现有的文献可以借鉴,所以有很大帮助。但对于其他所有方面,就没有那么多的基础可以借鉴了。切割本身并不是一个被充分理解的过程,尤其是当你切割生物材料时。它们是非线性的,极其复杂。所以这是我们需要花费大量精力建模的。

PS:还有一台机器人可以切割肉体——达芬奇手术机器人。你们在这些力控算法方面与他们有过合作吗?这项工作会对机器人手术产生什么影响吗?

GM:大多数机器人手术都是远程操作的,有人在参与。他们并不真正关心自动检测这些东西。他们更关心的是过滤掉杂质,提供被操作者正在做什么的正确视觉图像。他们并不是想实现手术自动化,但这项工作可能会对这方面产生很大影响。

我确实看到了一些扩展到手术的可能性,但人们还没有准备好接受全自动机器人外科医生。我想讨论的是第一步。可能有一些简单的手术步骤是外科医生不愿做的。医生不开刀,肯定也不缝合——那是别人做的。那么,有没有机器人可以完成的任务呢?反之亦然。如果你正在进行机器人手术,收集这些力反馈数据并能向医生提供一些反馈,会有帮助吗?“嘿,你刚刚碰到骨头了”,或者“力正在增加,危险危险”的场景。可能会有一些方法来增强或帮助医生。

Gary Meek/佐治亚理工学院研究学院

PS:最终,你希望这个系统做什么?

通用汽车 (GM)

短期内,我希望能简单地将执行这些切割工作的工人撤换下来,并安装这套系统。这将有助于工厂解决人体工程学问题,并帮助他们提高产量。长远来看,我们有一个设计未来家禽工厂的计划。我们希望能够从根本上改变我们的处理方式。

现在我们明白了食品安全的重要性,并且希望最大限度地减少用水量等等,我应该如何以完全不同的方式进行处理?我们正在讨论很多想法。如果我有一个智能去骨系统,我为什么要进行掏膛(eviscerate)处理,这可能会导致许多污染问题?也许我应该在掏膛之前就对禽类进行去骨。这被称为热去骨(hot deboning),即肉仍然是温的。当你审视食品安全的影响时,事实是,现在你拥有能够保证你不会切得太深而切破肠道的科技——也许这是一个可行的解决方案。

PS:开始这个项目以来,你对鸡肉失去食欲了吗?

GM:当我接受这份工作时,我有点担心,因为我以前吃很多家禽。但我了解到,这个行业做得非常好。它不是一个丑陋、恶心或可怕的过程。它做得很好,而且我实际上有信心我获得的食物是安全的。所以我对此感到非常高兴。如果我不得不放弃鸡肉,那我还能吃什么呢?

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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