陳顯禎｜國立陽明交通大學光電學院教授
胡瑜凌｜國立成功大學光電科學與工程學系博士生
臺灣位於亞熱帶地區，面積小卻有豐富的地形地貌，一年四季皆有水果作物盛產，自日治時代以來素有水國王國的美稱。然而，隨著臺灣步入超高齡社會，這些平常出現在餐桌上的水果，背後其實正面臨著人力短缺與經驗傳承的問題。因此，如何透過科技的研發，幫助農民進行更有效率的農務，並學習與傳承農業專家的經驗，成了迫在眉睫的工作。
農事繁忙、勞動力又不足，科技如何助力農村？
讀者可曾試想過，一棵棗樹從栽培到結果收成需要多少作業嗎？為了生產高品質的蜜棗，在幼果時期農民需要經過三次以上的疏花、疏果（blossom thinning），以減少養分消耗在劣花劣果上，而影響到蜜棗品質。然而，該怎麼摘除、哪些是可摘除的劣果，這全仰賴農民日積月累的經驗。除了疏花疏果外，不同作物也皆需大量人力的農事處理，如除雜草、降低病蟲害（pest control）及除新梢（new shoot pruning）等。
為了因應農業勞動力不足，國外也相繼有許多新創公司與研究團隊投入農業機器人的研發。瑞士著名的農機開發商 ecoRobotix 在 2018 年開發出智慧型除草機器人，透過人工智慧辨別雜草，並將農藥精準噴灑於雜草，據稱可減少用量 20 倍。
西班牙的農業機器人新創公司 Agrobot 開發「吸蟲機器人 Bug Vacuum」，利用自動導航和真空吸蟲方式對草莓害蟲進行防治，目前已在草莓園測試，並投入市面販售（根據 futurefarming.com 網站 2021 年公布的資料，售價約為三百萬台幣）。
除精準噴藥與真空吸蟲等機械式處理外，為進一步降低農藥對生態環境的危害，德國塑膠製造商易格斯 igus® 開發出雷射除草無人車（unmanned ground vehicle，簡稱 UGV），可自動辨別出會危害各種作物的雜草，再以短脈衝雷射照射雜草葉子或莖桿上，使其生長減緩。
臺灣團隊結合雷射和無人車，打造果園機器人
自 2017 年底，國立陽明交通大學光電學院適應性光子實驗室（後簡稱研究團隊）試圖將累積的智慧光電（intelligent photonics）與 UGV 技術導入傳統的農業機械，開發具 3D 雷射瞄準的果園機器人，尤其運用在減少農藥污染、大量人工需求及挑戰性極高的果樹除蟲、疏花及除新梢等農務。
智慧光電與農業 UGV 的結合，是農業防治與省工機具未來發展的重點之一。一般農地地形複雜多變，臺灣的農地或果園更是崎嶇，而智慧光電與農業 UGV 的結合，是農業防治與省工機具未來發展的重點之一。
團隊開發出的果園雷射機器人，以能適應各種坡型的履帶車為載具，透過車上的深度相機及視覺里程術（visual odometry）來判斷車體目前位置與姿態（如圖二右下），具有智慧路徑規劃（path planning）以及藉由深度強化學習（deep reinforcement learning）進行路徑追蹤（path tracking）與各式障礙物迴避（obstacle avoidance）功能，使車體能夠無障礙下自由行走於崎嶇果園，到達須雷射處理的果樹旁。
此外，車體搭載一套具有深度相機的 24 瓦雷射系統，預先透過害蟲影像學習，建立起害蟲辨識的神經網路模型（如圖二左上）及其頭部 3D 定位，將此 3D 定位資訊傳送給雷射，即時進行立體瞄準。透過高瓦數的藍光雷射，僅需 0.1 秒的雷射劑量，就可有效破壞害蟲頭部附近的動脈血管與觸角，使害蟲不僅失去嗅覺能力，更無法將體液輸送至口部進行咀嚼與養分補給，害蟲即因為無法進食而死亡。
同樣地，可在果園進行精準（雷射瞄準於一兩米內可達 3D 毫米等級）及有效率（雷射光束對準棗花花藥、蓮霧新梢生長點）的雷射處理。
機器人成本降低、技術持續升級
科技的日新月異，也同樣逐漸降低高瓦數雷射與高容量電池的造價，最近兩三年鋰電池因規模化生產，價格僅為 2008 年的 1/10，上述果園雷射機器人的硬體成本也逐步降至二十五萬元內。根據研究團隊的估算，以一度電來看，可進行約一百萬次目標的雷射除蟲；而 UGV 行走控制與目標 3D 定位更因深度學習而降低許多的運算電力。
在果園雷射機器人有限的電力下，有效的雷射瞄準方式更可以符合農業實用性的要求。以 5 千瓦特時（kWh）電量鋰電池的果園雷射機器人為例，每次充電後可工作至少 10 小時。
此外，果園機器人實際運作時，風會使得害蟲隨著樹葉擺動，影響雷射瞄準，目前利用多重物件預測技術（multiple object forecasting）來改善；另外，動態隨機障礙物的避障，可進一步利用深度動力學建模（deep dynamic modeling）、模型預測控制（model predictive control）及深度強化學習等技術融合來處理。
如何使果園雷射機器人位置與姿態更強健、於果園路徑追蹤與避障更熟練以及具多重農業物件預測之 3D 雷射瞄準等皆須進一步開發，以期對於現有機器人做突破性與實用性的提升。
團隊盼能藉科技的力量助力農民
農業機器人的研發，需要跨領域的整合。研究團隊在國科會、教育部及農委會的經費補助下，聆聽各方需求後，暸解農機廠商在研發上的難處、資深農民對於務農條件的無力與青黃不接的經驗傳承。
縱然，近年來國家對青農有諸多支持，但是人力的缺口是不爭的現實。研究團隊盼能透過團隊的努力，協助農機廠商進行研發，往農機電動化、智慧化及無人化發展，開發出更具前瞻性的農業機器人，協助次世代農民耕作。