盡管農業現代化水平已經有了大幅提升，但是雜草依然是人類農業一大威脅。
安徽師范大學計算機與信息學院“草影無蹤”團隊嘗試用青年科技力量助力高效除草。該團隊歷時5年，深入走訪8家農業企業，走進32個農戶家中，在萬余次模型訓練、6萬行代碼的基礎上，終于讓小型激光除草機從實驗室走向田間地頭。其工作原理是：雜草幼苗階段，通過激光灼燒，燒斷根莖，從而“燒死”雜草；雜草生長成熟期，灼燒莖葉，破壞細胞結構，阻礙營養傳遞，從而“餓死”雜草。
此前，該團隊的《草影無蹤——新型單尾蝎式激光除草機》項目已斬獲第十一屆“挑戰杯”安徽省大學生創業計劃競賽金獎以及安徽省大學生創新大賽(2024)銀獎。
學計算機的學生為何瞄準了農業
“我是農民的孩子，從小看著老一輩親手拔去雜草，十分辛勞且效率很低。”“草影無蹤”團隊隊長、2022級物聯網工程專業的閆星星說，在學校“花津創客營”的培訓中，了解到激光的多種功能，于是便思考是否可以加大激光功率，以達到除雜草的目標。
“在與雜草的斗爭中，人工除草成本高，化學除草污染重。機械除草憑借高效環保的先天優勢，逐漸成為行業可持續發展的必然選擇。”在他看來，計算機與農業機械的結合是現代農業發展的必然趨勢：“機械結構決定產品的下限，而運用的算法知識決定了產品的上限。”
據團隊指導老師趙傳信分析，激光除草技術作為當前國內外新出現的技術，具有降低農業勞動強度、減少除草劑使用等優點，市場前景較為廣闊。“考慮到專業特點，我們選擇從融合物聯網、人工智能和機器人技術為一體的小型激光除草機器人項目入手，充分結合學生們的專業知識，鍛煉他們的實踐能力和創新精神。”
為了填補同學們在特定領域的知識空白，指導教師們主動構建跨學科研究平臺，邀請來自農業科學、自動化技術、機器人工程等領域的專家學者，提供專業指導。
基于這一背景，團隊成員展開適用于小型經濟組織的輕型激光除草機的實地調查和試點工作。在走訪中，團隊了解到自動化除草為大勢所趨，而目前只有激光除草實現了市場化。于是團隊把研發方向定位為一款適合小型經濟組織的輕型激光除草機。
隨著調研的深入開展，“草影無蹤”團隊將實地調研范圍擴大到以安徽為中心的周邊省份，開啟以江西、江蘇等為代表的8省調研之旅。
5年來，這支團隊不斷壯大。2019年，還在讀本科的姚彥成暑期社會實踐時，萌發了科技創新的想法，于是開始組隊，到現在已經接續傳承了兩批人。2022年，閆星星成為第二批的主力隊員，主要負責第二代和第三代產品的研發和市場化。目前團隊共有15人，主要來自物聯網工程、計算機科學與技術、電子信息工程等專業，其中，3人為碩士研究生。
找到解決“痛點”的最優解
在調研中，團隊發現：國內外現有激光除草技術存在著除草場景單一，地形適應性差，作物誤除率高等痛點。現有激光除草技術均采用“自頂向下”掃描，且無復雜的識別定位功能，導致除草場景專一，僅適用于作物幼苗時期除草；加之機器體型龐大，大多采用輪式結構，地形適應性差，僅適應平坦開闊地形。
目前市場上技術成熟的設備為國外一家公司生產的激光除草機，售價高達20萬美元。
“我們的產品定位于壟間窄域作業，體積輕量化，目前配備了一套激光頭和兩套雙目相機，產品售價在人民幣1萬元左右。”閆星星說。為解決現有產品的應用痛點，團隊通過擴大雜草作物訓練集，研發出高效、靈活、低成本的單尾蝎式激光除草機。
“就像讓一群螞蟻在迷宮中尋找從起點到終點的最短路徑，螞蟻能繞過障礙物，找到一條不撞墻的最佳路線。”閆星星介紹，他們采用改進的蟻群算法進行機械臂路徑優化，使其能夠選擇一條從起始點到目的點的最優路徑，避免在轉動運作過程與障礙物發生碰撞。
團隊搭建輔助輪越障模型，在原有履帶式的小車上附加了輔助輪，建立重心運動模型，結合加速度與傾斜程度等信息，調整參數幫助小車順利爬坡越障。如同汽車卡在坑洼地中，有人從后方推一把，助力它回到平地上。
團隊還研發融合輪廓檢測的雙目視覺增強識別定位技術，實現對雜草/蔬菜的識別。如同給機器裝上一雙智能眼睛，能精確找到雜草的位置，并計算出灼燒雜草的最佳點。
在團隊成員的接力攻關下，激光除草機已經進化出第三代產品。其中，二代機相較于一代機有了明顯的改進：首先，將輪式改為全履帶式底盤，同時增加了輔助輪，大幅提升了越障能力；其次，對激光器進行了功率上的調整，提升了除草效率，節約了除草時間。同時研發ESCOLR算法，提高了雜草識別定位的精確度。今年年初，團隊成員在網上看到雙尾蝎式戰斗機的介紹，受此啟發，經過商討，三代機最終采用雙蝎式的布局，大大提高了除草的效率。
從實驗室到田間地頭有多遠
生產出來的除草機能否適應現實環境，只有在田間地頭才能找到確定的答案。為此，團隊來到安徽阜陽一家中藥材種植基地進行首次實驗，起初大家都欣喜于除草機的穩定運行，然而突然吹來的一陣大風，讓機器難以準確定位東倒西歪的雜草。
發現問題只是第一步，如何解決才是關鍵。“團隊第一次進行產品驗證，就遇到環境干擾導致的定位誤差問題，隨后我們改進算法，增加了反饋機制，讓設備在風吹草動時也能正常工作。”團隊成員劉宇航說。
此外，團隊在阜南縣江山蔬菜大棚基地又遇到了一個挑戰：瓜架的存在阻擋了機械臂的定點轉動。為了解決這一問題，他們在路徑規劃算法中增加了避障功能，使得機械臂能繞開障礙物到達目標點。
而在岳西縣一家茶葉合作社進行實地測試時，團隊發現原先在實驗室環境中設計的越障算法，并不能滿足實際應用的需求。為此，又增設了輔助輪擺臂結構。
值得一提的是，在阜陽的首次試驗中，團隊還成功解決了因農殘過高而降低中草藥藥性的問題，得到了農戶高度認可，并順利賣出第一臺設備。歷經5年探索、三代更迭，激光除草機經歷900小時、49公里的穩定運行，終于成功走出實驗室，走向田間地頭。
截至目前，“草影無蹤”團隊與阜陽一家中草藥種植基地和岳西縣一家茶葉生產合作社簽訂意向合作協議，以及除草服務合同和產品采購合同，總金額超100萬元。團隊提供全套服務，包括環境評估、定制除草、意外情況處理、設備維護等工作。
團隊在安徽阜南縣郜臺鄉江山種植園進行了對比測試，依托第三方機構的鑒定，相較于之前的除草劑除草，使用激光除草機，作物的營養物質含量提升了近40%。同時，除草誤傷率降低，10畝上海青的產量增加了18%。此外，對安徽蕪湖市新聯村一片辣椒田的回訪統計顯示，采用激光除草機后，農藥使用量減少了30%。
目前，團隊成員共授權11項專利、軟件著作權，發表7篇論文。“一種全生命周期電池荷電狀態的預測方法”“農作物病害識別模型的訓練方法及農作物病害識別方法”等專利，在小車導航優化、能源管理、電池監控及農作物病害識別等方面實現了技術創新。
