本报记者 何蕊
在北京工业大学智研楼一层，有一座智慧农业工厂。“A”字形的种植架上，罗马生菜像含苞待放的花朵，冒出翠绿鲜嫩的叶心；密密麻麻的藤蔓间，熟透的番茄挂满枝头，散发着红润的光泽。
红绿之间，数控机床、瓜果采摘机械手臂、自动化包装机等智能设备接力运作，形成了一条无人且高效的生产线，不同经济作物的播种、移栽、定植、收获、物流包装等各生产环节，都实现了全流程、机械化作业。
作为这座智慧农业工厂的“厂长”，北工大教授、机械与能源工程学院院长高国华眼里满是自豪。从机械设计领域跨界做智慧农业的近20年来，由他主导开发的这套现代农业智慧工厂化种植模式，已累计申请获批100余项发明专利，被中国科协评为中国智能制造十大科技进展。
在不远的未来，这些智能设备将在北京的农业园区、温室正式“上岗”，由机器人亲手种植、收获的瓜果蔬菜有望走上市民的餐桌。
高国华（左）讲解采摘机器人的动作技术原理
打破“最快纪录”
两只“眼睛”一只“手”，长长的“喉咙”，大大的“肚腩”——这款长相奇特的全柔性果蔬采摘机器人，是高国华和团队引以为傲的一项科研成果，历经4代技术更迭，在国内同类型的设备中，刷新了从识别，到采摘、再到回收果蔬的纪录。以表皮柔软的番茄为例，单个采摘时间仅需5至7秒，并且能实现果蔬连续采摘作业。
“从机械结构上讲，这是国内首个中空全柔性、主动驱动的瓜果采摘机械手臂。前端模拟人手，不会生拉硬拽，导致误伤作物。后端连接的是中空的气囊管道，直通收集箱。”番茄架前，高国华被参观者团团围住，配合着机器人的采摘动作讲解技术原理。机械手臂上下飞舞，动作流畅，引得阵阵称赞。
高国华笑着说，这位“采摘能手”是校园里的明星，每当有重要客人来访，都会请它出场展示本领。师生们有时也会带着外校朋友进厂参观，一睹未来农业生产的新场景。
令大家惊叹的不只是机械臂超快的采摘速度，还有它的松弛感。开机启动后，前端呈八爪鱼式的机械手臂精准移动到成熟的番茄面前，8根“手指”捏住番茄，再轻轻一拽，将其和藤蔓分开，随后再张开手指，番茄就顺着又长又软的“喉咙”滚入了收集箱。就在番茄进箱的同时，机械手臂已经寻找到了下一个采摘目标。
仔细看，滚落的番茄丝毫没有机械抓捏过的痕迹，而且通过管道的划分，无需人工分拣，就能在收集箱里整齐排列，等待后续的统一包装和加工。
“我们希望把机器人打造成不知疲惫的‘贪吃蛇’。和果农相比，它简化了从抓到放的重复动作，提高了作业效率。”高国华说，比起单纯的工业机械，团队面对的是植物，即使在人工营造的温室环境里生长，也具有一定随机性，植物的果实与枝叶的位置更不会一成不变。这使得机器人不能只做标准化的固定动作，还要学会“变通”。
首先就是给机器人安上“火眼金睛”，不仅能看清番茄的位置和形态，还得精准识别果实的成熟程度，判断应该对哪些番茄“下手”。
“温室环境尤其是在瓜果种植行间的狭窄空间内，顶部与底部的光线条件差异大，背景颜色单一，通过对图像进行简单处理的视觉识别系统不能有效工作。”高国华说。为此，团队借助人工智能的深度学习，为机器视觉系统开发了自主学习能力，经过反复训练，果蔬采摘机器人如今已做到定位误差不超过5毫米。
更难突破的是柔性中空的机械臂结构设计，也就是机器人这条又软又长的“喉咙”。作为国内首创的采摘模式，这种独特的边摘边吞的机械仿生形式，在提高了采摘效率的同时，也为机械臂的力学性能提出了更高的要求。
起初，师生们希望通过设计无限增加的关节，让机械臂在狭窄的温室空间里也可以实现复杂的姿态变化，从而做出更精准的采摘动作。然而，现场测试时他们发现，最初的设计思路、技术路径并不符合智能农机装备的要求，出现了很多意想不到的问题。
“比如，随着关节数量的增长，机械臂的力学性能会快速恶化。柔性结构在不同位姿和负载下，受力差异也很明显。”高国华指向角落里的一台机器，它和正在工作的采摘机器人外形相似，表面却布满灰尘，“这是上一代机械臂，每个零件都是3D打印的。现场测试时，我们发现，果实在中空的机械臂内下落的位移，会影响前端采摘动作的灵活性和稳定性，就算是很小幅度的震颤，都可能戳破番茄表皮。”
为了解决机械臂力学性能的稳定问题，师生们一头扎进闷热的温室，连续40多天、每天十几个小时不间断地测试、优化改进机械算法。他们还一个个测试机械臂前端的“八爪”硅胶柔性材料，使用真空注模成型工艺，精准调控温度与硅胶原料配比，确保它们像人的手指一般柔软又有力。
漫长的现场测试，还让师生们有了意外收获。“番茄是蔓生植物，需要依靠藤蔓攀附生长。以往受温室设施技术的限制，吊藤的净空高度有限，藤蔓高度只能在1.5米到2米。”高国华笑着说，有了机械臂，藤蔓高度不再受限，只需使用人工光源补充照明，就能将作物单产翻倍。于是，师生们又对温室led照明元件进行了改造，在维持作物间距的同时，将藤蔓高度提高到了6米。
“在通州区的一个农业园区中，我们正在推进建设一座占地约200亩的现代设施农业温室。在北京翠湖还有一座亚洲最大的设施农业温室，大家将看到自动化采摘机器人忙碌的身影，有效提升北京蔬菜的自给率。”谈起这些进展，高国华的眼里闪烁着光芒。
打造“无人温室”
高国华在年少时就曾是个“机械迷”，每天放学在自己的一方课桌前拼装模型，是他最单纯的快乐。中学时期，电影和动画片中描绘的未来科技，尤其是酷炫的机械装甲和机器人，更是令他神往。
“那时的我还无法想象，40多年后的今天，机器人可以跑马拉松，生产线上可以没有工人，纯靠自动化的机械就能把种子培育发芽、把田间地头的果蔬送上餐桌。” 1995年，高考填报志愿时，赶上我国大兴基建，机械工程专业成了大家公认的工科领域“铁饭碗”。于是，高国华也为自己选了最热门的院校和专业——进入中国矿业大学（北京）机电学院学机械，并且一读就是10年。
2005年6月，他顺利拿到中国矿业大学机电学院机械设计及理论专业方向的博士学位，又进入清华大学精密仪器系做了两年博士后，专攻数字化制造方向。“当时也没有太多想法，就想一直跟随着自己的喜好，从理论到实践。”高国华笑着说，很幸运，这么多年，从读书到工作，一直没有离开过喜欢的行业，而且越深入研究越觉得有意思。
2007年，高国华从清华大学机械工程博士后流动站出站，来到北京工业大学工作，从此开启了深耕智慧农业的科研之路。
“那时候，国内智能农机装备的整体水平和国外相比差距较大。”他直言，研究具有自主知识产权的高端智能农机装备，正契合了国家加快建设现代农业产业技术体系的迫切需求。
国家所需，就是科研所向。
接下来的几年里，高国华带领团队逐渐明确了“全套自动化种植装备”的研发方向。适用于叶菜、果菜、花卉全系列的智能农机装备也在日复一日、年复一年的钻研中，由图纸逐渐变为样机。
北工大智慧农业工厂里，一条以叶菜为培育对象的自动化生产线，模拟了从育苗、移栽定植，到种植生长，再到收获、包装入库的整个过程。
正在“A”字形种植架上生长的罗马生菜已经长出巴掌大的叶片，生机盎然。“这是绿色、不打农药、无公害的生菜，可以尝尝，平时大家都这么直接吃。”高国华热情地招呼大家现场试吃。为了测试种植架上的自动传感设备，今年以来，生菜已经长了一茬又一茬。
配合种植架上传感器实时监测的温度、湿度和气体情况，照明设备会通过调整红蓝光线配比，为生菜安排最适宜生长的温室环境。不仅如此，生菜的整个生产过程都能做到智能管理，坐等收菜。
起初，种子被播种在装满营养土的小型苗钵中，又被放置在长0.52米、宽0.35米的苗盘中，每个苗盘可以容纳24个苗钵，直到它们长到合适的大小。随后，一台自动移栽机登场，把一个个苗盘端上种植架，与上面的种植槽组合。种植架总长4米，总宽1.86米，可容纳12个种植槽，而每个种植槽又可以容纳19个苗盘。上面的种植孔间距均匀，为叶菜的生长提供足够的空间，又便于自动化操作。
每个数字都经过精密计算。
“基于数字化仿真软件，我们建立了种植槽的空间布局参数化和叶菜多层种植架光照仿真模型，从而确定了光照时长评价指标。又利用遗传算法，得出了布局参数对光照时长指标的影响规律，确定了立体栽培系统中种植槽空间布局参数。”高国华头头是道地讲起自己把机械工程理论应用于实践的细节，还贴心地向记者解释，“不懂没关系，可以理解成通过深度计算，得出了一个适合叶菜生长的布局模型。”
也有挠头的时候。比如，将种植架实际搭建起来后，高国华发现，空间立体的布局虽然会提高生产效率，但上层板对下层板会造成不同程度的遮挡。生菜又属于喜阴蔬菜，每天接受直射光照时间在两个半小时左右最好。为了提高光照的利用率，团队又反复改进设计，将种植架改良成可移动的“A”字形，给生菜轮流“晒太阳”。
作为一名机械设计领域的科研工作者，高效且标准化的工业思想深深烙印在高国华的心里。跨界农业多年，他也深知“粒粒皆辛苦”的内涵。
成熟后的生菜，将跟随种植架被拉出种植区进行收获作业。通过收获机，叶菜与根系相连的苗钵分离，切除根部后，打包上架。此时，种植架已经再次回到种植区，等待着下一批幼苗入住。
打磨金工小锤
近年来，从北工大智慧农业工厂诞生的农业智能设备，陆续走进田间地头，接受实践检验。工厂里的“001”号样机，不仅用于成果展示，还是机械工程人才培养的生动教具。
“我鼓励学生动手拆、亲手磨，到机械内部探索系统工程的奥秘。”高国华说，科研是教学的“源头活水”。这些年来，他一直站在教学一线，承担《机械设计》等本科生课程教学任务；他还曾担任北工大教务处副处长，参与设计改革了该校《金工实习》实践课——学生会学习各类金属加工工艺，包括车工、铣工、线切割、激光加工、钳工、砂型铸造等。不仅机械与能源工程学院的学生要学，全校本科生都要求必修。
北工大这座智慧农业工厂，就是最好的教室。最近，人文学院社会学专业学生苏润原一有时间，就会换上一身金工服，和同学一起在台桌前俯首使劲地磨。晚上回到宿舍，手上黑乎乎一片。
高国华揭秘，学生每天都在磨的东西是一块45号钢块，他们要用一学期的时间把它磨成一把锤子，才能获得《金工实习》实践课机械工程训练环节的1学分。在北工大，这把锤子有一个专门的称呼，叫“工大锤”。
对于很多机械工程类专业的学生来说，磨工大锤其实是一门专业“入门课”。“和上其他课不一样，既要有力气，还要有一定的耐心，同时又要讲究一点技巧。”学生汪硕峰对金工课印象很深。他说，还在穿长袖的季节，每次磨完锤子走出教室，都恨不得立马脱掉湿透了的金工服。和同学见面打招呼，都开玩笑地说“刚健身回来”。
“真正磨出一把尺寸精准的锤子，必须具有精益求精的工匠精神。从设计、绘图、材料选型，到零件加工、表面处理、装配调试……可以说，机械加工的精髓都汇聚在这把小铁锤里了。”高国华解读课程设计背后的内涵——对于机械工程类专业的学生来说，这是最基础的技能训练；而对于其他专业的学生来说，这是动手实践的好机会，也是学校劳动教育的生动课堂。
作为机械与能源工程学院院长、机械工程类专业教师，高国华同样把精益求精的工匠精神融入了日常的教学和科研生活。“高老师特别拼，好像永远不知疲倦。科研上遇到问题，他总会手把手带着我们一起去解决。”团队成员、机械与能源工程学院副教授张子华笑着说，有他在，大家在工作中很有安全感。
在高国华的团队里，没有为了完成项目而设定的硬性指标，更多是面向实际应用的实践探索。就算有些项目已经完成了科研结题，但只要有落地转化的可能，他都鼓励师生继续推进，哪怕面临着额外的科研经费负担。
“我鼓励老师们将自己承担的国家重点研发计划、国家自然科学基金等一系列重大项目拆解成小课题并融入课堂教学中，采用项目化的教学模式，带领学生组成科研小组，‘真刀真枪’地做课题。”高国华说，这种教学模式一方面激发了学生们在创新结构设计中的“奇思妙想”，让他们可以拿着自己研发的真成果申报专利，参加竞赛，收获荣誉；另一方面也把学生们带入一个真实的需求场景中，让他们感受智能装备技术在未来产业应用中的美好前景，激发科技报国的使命担当。
“机械工程是工科专业中最基础的方向，为其他专业提供了相应技术性支撑。尽管专业历史悠久，却在不断推陈出新。”高国华说，随着人工智能、机器视觉等新技术不断涌现，机械工程专业正在创造更多可能。
“智”不可挡，“造”就未来。
如今，高国华的科研触角延伸到了智慧农业之外——助力薄膜生产企业，研发了全程自动化包装机硬件与数字化管控平台；帮助化工、食品、钢铁制品等流程型和离散型企业，从根本上改善工业生产过程，提升智能化水平与经济效益……从团队中走出的毕业生也在探月工程、载人航天等国家重大工程中，寻觅着更宽广的世界。
年少时的科技梦，也在一点一滴地打磨中，照进现实。