赵新华：生态机器人 起步中的黑马

文/赵新华 编辑/李艳琴

（一）生态机器人:机器人家族中的迟到者

机器人发源于工业（第二产业），经过一百多年的发展,现已广泛应用于先进制造业的各个领域,目前正在向服务业（第三产业）迈进，社会上已出现了家用、医用等各类服务机器人.而在农业领域（第一产业），机器人的应用则处于起步阶段。随着“现代农业”内涵和外延的拓展，农业机器人的应用正从实现“农业自动化”，过渡到服务于新的目标：在生态环境承载力下，提升土地资源的可持续的生物产出能力，农业机器人从而升级为了“生态机器人”。

由此，生态机器人、工业机器人、服务业机器人形成了一个体系,共同覆盖三大产业，分别负责与自然、与人造物、与人类社会打交道。

在钱学森先生《论沙产业、草产业、林产业》一书中，曾对未来生态机器人进行了展望：

“中国的沙荒、沙漠、戈壁是可以改造为绿洲的，草原也可以改造为农牧业联营等等。这样，就是中国人口发展到30亿，也可以丰衣足食！”“100年以后，石化能源、煤、石油、天然气消耗光了，即后工业时代我们何去何从？中国人不是向美国人学习，攒钱到月球上找未来的生存空间，而是要把地球上的沙漠治理好、利用好，把21世纪、22世纪变为‘科学利用沙漠的世纪’”“利用阳光，通过生物，依靠科技，面向市场，延伸链条，创造财富，造福百姓。”

（二）生态机器人的应用与本质特征

一些国家如日本、德国、以色列在生态机器人的前期研究方面已做了大量的工作，在应用上提供了参考，也折射出了生态机器人区别与其他机器人的本质属性。

案例1:沙漠生态治理

中央电视台曾报道过一种治理沙漠的模式：人们在沙漠中种植沙柳，用沙柳叶养兔，兔肉、兔毛销售全国，同时兔粪作为肥料，改善土地成分，由此改造了沙漠、改善了生态。

这是一个成功的案例，但并不是一个容易推广且最优的解决方案。由于地区环境差异，即便是抗旱能力强的沙柳，也不是所有的地区都适合；沙柳种植对环境依赖性较大，若赶上某一次厄尔尼诺现象带来的大旱，多年经营的防沙林可能数月间毁于一旦。同时,兔子的需求量是极其不稳定的。更重要的是，沙漠治理过程中不仅需要从外部输入生活日用品，更需要人。据调查，每迁移一个劳动人口，需当地投入基础设施10万元，如果是大学生或高级技术工人则投入更高。同时相关设施的维护又需要更多的人——而更多的人会给沙漠脆弱的生态系统带来更大的承载压力，形成恶性循环。

在这种情况下如何扭转恶性循环？解决方法是生态机器人。以色列的无人农场即是典型，沙漠大国以色列，国土总面积的45％均是沙漠，人口密度达300人/平方公里。他们在沙漠中造绿洲，将有限的降雨量收集起来，将大的可怕的蒸发量扣在大棚中，水汽冷凝再循环，通过改造局地区域的微观生态，保住了最宝贵的水。再利用滴灌系统和各类机器人完成农业生产，仅用少量管理人员即可完成一个大面积的沙漠农场的管理，解放了最宝贵的人。最终，以色列的农业总产值年增长率始终保持在15％以上，占总人口不到3％的农民供给全国农林产品，还大量出口欧洲，出口额在过去50年里增长了12倍。

案例2：改善草场生态并提高利用率

我们知道，中国的草场单位面积的产出是比较低的。我国的载畜量约为新西兰的8%，美国的20%，也就是说欧美等国的草地利用率是我国的5—10倍。此外，中国人工草场比例很小，远低于发达国家。

我国的天然草场使用存在着巨大的浪费，草最肥美的时候，牛羊的放牧有限，由于人手不足，肥美的牧草只能烂在地里，而收割的时候，草已经干枯，草中的营养含量已大幅降低，以至于中国要从国外进口牧草。天然草场的保养十分“尴尬”，譬如一次为期几周的干旱，就可能导致草场“绝收”。

利用机器人，能实现草场的科学化作业。比如足式运动的机器人（避免压坏土地），除太阳能外，能将杂草、害草、以及牲畜粪便作为生物质能的来源，给机器人“充电”。机器人在草场里种草、灌溉、除草、除虫、割草，最后将牧草打包处理，放到路边等待车辆运输。

除了草场，我国国土资源的利用效率还有很大潜力可挖。尽管我国面积广阔，农耕文明历经了数千年，但在土地使用率上，各项数值大大低于世界平均水平，比如耕地方面：我国粮食产量约为5000公斤/公顷，发达国家为6000公斤/公顷。草地畜牧方面，以奶牛产奶量为例，我国为1500-2000斤/头，而荷兰则达到了10000斤/头。林地蓄积量上，我国平均为76.5立方米/公顷，世界平均水平为115立方米/公顷。农业与生态在任何一个发展时期都是社会之本，可以看到，未来的生态机器人将大有作为。

以上案例所引发的思考是：作为农业大国，中国的土地利用率并不乐观，我国如何最大程度发挥960万平方公里土地的价值、并持续改善生态？这个问题的解决，将是我国产业转型升级的机会，也是实现人与自然和谐共生的基础。

纵观历史，我们发现前三次工业革命的属性是一致的：人类为了改善自身的生活，通过机器，改造自然社会与人类社会，随之而来且不可避免的则是自然生态的破坏。生态机器人的出现，将人-机器人-自然三者的关系推进到一个新的高度：在第四次工业革命浪潮里，人类将通过机器人去改善自然生态，这也将是第四次工业革命不同于前三次工业革命的最大贡献。

生态机器人将重新平衡农业和工业的关系，在数十年的发展间，我国的农业用人口和土地支援了工业的发展，如今则进入到了工业用人才和科技反哺农业的时期，工业和科技为生态服务，只有这样才能完成再工业化和后工业化。从生态机器人的应用与功能出发，笔者认为生态机器人的三大核心特征应该是：一、自我补给能力；二、环境适应能力；三、生态改进目标。

首先，自我补给能力是生态机器人的核心能力。驻守一个海岛，需要具备多样的补给能力——食物、淡水、储藏空间、人员的庇护所、日常生活用品等。机器人在此方面则占据优势，能够将补给强度降低到现状的百分之一。以沙漠中的无人农场为例，我们需要的是一台远程遥控的耐风沙双臂移动工程机器人，一些种子，还有一个住在城市里愿意远程操作机器人的大学生。其他辅助设施有：一套太阳能/风能的充电和蓄能装置或者智能电网接入，一座移动通讯基站，一堆搭建大棚的材料，一套集水的设施。这样就能实现无人农场的日常运营。

生态机器人的自我补给能力主要体现在以下几个方面：

能量自补给: 能量补给可以依靠太阳能和生物质能为主，有蓄能装置，有休眠能力，在无任务时可用进入超低功耗的待机或休眠状态。

材料自循环: 通过3D打印技术，就地取材，利用粘土、木头、石头、草等天然材料，完成机器人零部件的制作，完成大棚等基础设施的搭建和维护。

备件最小化：通过标准化设计、模块化设计、系列化设计，将机器人及其他系统所需要的备件型号减到最小。

自我管理，主动维修：机器人具备自我管理能力，从任务规划、行动规划、路径规划等技术，以及自我故障诊断、远程故障维修等能力降低机器人需要现场维修的频次，提升系统的综合可靠性。

通过自我补给能力，将人类的智能散布到世界各地，可以随时随地跨越时间和空间，完成对远程的管理。

其次，环境适应能力是生态机器人的保障技术。机器人生于工厂中，现在需要走出温室，面对更恶劣的自然环境：沙漠中的细小沙尘可能会进入机械系统；巨大的蒸发量会快速降低润滑剂中水性材料的功效；强日照和紫外线可能加速重要元件老化；低空气密度会影响散热的效率；高温会影响绝缘；冰冻、霜冻会让电池不工作；雨水甚至酸雨是防腐涂层的劲敌；大风和沙尘暴考验表面耐磨性......这一系列问题的解决，都需要依赖于大量的环境适应性实验，和环境可靠性实验。

当然，这一系列问题的解决将是一项系统工程，不仅给生态机器人以技术支撑，同时也是一次将已有生态、环境相关技术的融合，其成果会像航空工业、航天工业一样，产生大量的军民融合的技术，有利于整个国家基础工业的升级。

最后，生态改进目标是生态机器人的主要应用目标。生态机器人的目标是改善它所负责的资源的生态评估值。其生态评估依次由：生态安全、生态平衡、生态产量三个指标构成。

无论是农地、林地、草地、沙漠/荒原/高原、河湖、海岛各类生态系统，生态安全首先是不要继续被破坏；生态平衡是保持现状并具有一定的缓慢发展能力；生态产量是在生态不退化或整体水平不退化的情况下，具备的可持续的生产的能力。

（三）生态机器人将是谁的机会？

目前世界范围内，农业机器人的研究与应用，日本居世界之首，且引起了世界的广泛关注。而德国科学家正在建立一个全自动化的农场，以解决农业工人日益减少的问题。其他发达国家已有除草机器人、采蘑菇机器人等面世。

相比于日本与德国，中国的优势和机会在哪里？

首先，我国拥有全世界多样性最多的生态系统，具有研究优势。俄罗斯的冰原，美国的草地，日本的山地，印尼的海岛，阿尔卑斯山的高山，在中国都可以找到类似的生态系统。这一点，是国土面积较小的国家不具备的国家比较优势。即便在国土面积超过500万平方公里的国家中，俄罗斯和加拿大缺少热带地区；巴西缺少高寒地区；此外，中国具有自己的独特的高原地区。生态多样性，使得我们可以在国内完成几乎所有生态系统的实验条件。

其次，我国国土面积广大，但土地利用率十分低。从图中可以看出，中国的林地占24%，草地27%，荒地(未利用土地)27%，三者总计达国土面积的78%。不仅未利用的土地占比重较多，已经利用起来的草地与林地，相比于先进国家，土地利用率也十分不理想。国土虽广，但却没有各尽其用。通过生态机器人，我们有可能将以上土地的利用效率提升，这对于我国的发展而言，是有力的保障。

以色列的经验告诉我们，沙漠可以变绿洲，土地价值提升数十倍是完全可能的；新西兰和美国的牧场告诉我们，草场的土地价值提升5到10倍是已经被实践证明了的。丹麦和北欧的林业管理告诉我们，林地的价值提升3到5倍是完全可能的。通过生态机器人，中国在土地利用方面的劣势有了扭转的可能。

此外，发展生态机器人同时也为科研工作者、农业机械、林业机械等装备制造从业者、野外工作者、生态学者提供了发展机会。由于大量的自然环境各类参数的排列组合，使得研发机器人有大量具体工作要做，从而迎来一个科技研发和应用的高峰。能够赶上一次工业革命的巅峰，并且为之做出自己的贡献，是科技工作者的幸运。

生态机器人需要将现有的各类工艺标准化，并通过一台或少数几台机器人实现，这个迁移的过程，如同翻译，难点不在于机器人技术，而在于农业技术、林业技术、牧业技术等，这对相关领域的研发将是一个挑战。无论是林业防护、水土保持、野外设备维护、科学考察等，生态机器人广泛的分布本身将成为一个公用的基础设施平台，生态机器人具备观察、分析、监测、通信的能力，同时还具备随科技发展不断提升的操作、互动的能力，这对于野外工作者而言，是一个福音。而如何评估并改善环境的生态指标，不再是课本上理论，而是摆在面前的一个个具体而切实的问题，同时，随着生态机器人的广泛应用，所收集的大量数据，可能将中国的生态水平提升到可以与国际领先的必要条件。

（四）生态机器人离我们有多远？

生态机器人是现有农业机器人的进化，从实现来说，现有的农业机器人和很多业务作业的机械都是这个范畴。但是，如同石头不等于石器时代，生态机器人在目标、战略和理念上的提升，才是区别生态机器人与农业机械的关键。这种区别也决定了生态机器人的研究与设计将会站在一个全新的高度上。

以自然为对象，以生态为目标，以自我补给能力为核心突破能力，以环境适应能力为核心保障技术，才是区别生态机器人与已有机器人的核心分水岭——从这个意义出发，生态机器人在世界范围内的研发与应用才刚刚开始。

对于这个刚刚起步的领域，我国该如何促进其发展呢？笔者认为如下方面可以去开展：

其一，建立各种类型的生态机器人试验和示范中心，引入植物所、动物所、水生生物所、农业、林业等各个领域的专家进入“人机和谐的生态圈计划”试验项目。其二，引入军民融合的建设机制，试验过程中，将技术在军用技术、民用技术之间，建立一个技术过渡带：公开的军民融合公用技术，准军用技术，受控的民用技术；同一试验区域，分管制试验时段，和非管制试验时段，和公开试验时段，进行试验资源的共享。其三，开发生态机器人关键技术，特别是针对特种环境的机电系统环境可靠性试验，长期无人值守情况下基础操作的可行性研究，能源自补给系统，备品备件标准化等技术。其四，并行开展生态能力评估模型的开发。在进行生态机器人试验区之前，“开发未动、评估先行”，改变以往“环评、立项、高成本监督”的模式，改为实时评估，指标考核的方式。其五，建立生态机器人产业协调机制。开始统筹协调管理和分工，避免无序竞争和重复建设，同类型的试验区在被证明成功之前，不要超过一定数量。

机器人产业是未来中国参与世界竞争、实现弯道超越的可能途径之一，而生态机器人的发展为弯道超越提供了更多可能性。生态与发展的矛盾在未来若得不到妥善解决，人类社会的发展终究会陷入困局。目前我国的生态机器人发展在农业自动化的基础上已具备初步的技术条件，在生态失衡、中西部地区发展失衡、产业分工失衡的形势下，巨大的应用需求将成为未来生态机器人发展的有力“推手”。绵延数千年的传统农耕文明为人类社会的发展提供了源源不断的养分，但传统的方式保护了生态却无法满足社会需求。工业革命从各个方面对人类的生产生活带来了质变，既是飞跃，却不可避免地带来了“摩擦”和“矛盾”。我们的社会正如戴着“锁链”在前行，其路途并不平坦。未来的生态机器人能带来什么？此刻我们不得而知，而基于自然、和谐的理念，我们有理由相信生态机器人将会为社会“松绑”，实现未来无负担式的“畅快”发展。

【人物简介】

赵新华，现任余姚市机器换人服务中心主任，中国机电一体化协会智能工厂分会秘书长。