Dzieci uwielbiają robić z nich ludziki. Leśnikom żołędzie potrzebne są do wysiewu nowych drzew. Tym drugim pomoże w tym urządzenie opracowane przez inżynierów z Poznania i Krakowa.
Co najbardziej przykuwa uwagę w trakcie wizyty w gabinecie prof. Ryszarda Tadeusiewicza, to rozwieszone na ścianach dyplomy doktoratów honoris causa z całego świata – od Kuala Lumpur po Dniepropietrowsk. A także stojąca na stole statuetka „Człowieka Roku 2016” przyznana przez czytelników „Gazety Krakowskiej” za wkład w popularyzację nauki. Dopiero potem zauważa się kanapę, stosy płyt DVD, papierów i uginające się od ciężaru książek półki.
– Te za szybą są moje – śmieje się profesor, wskazując na solidnie wypchaną część meblościanki z przesuwanymi, szklanymi drzwiami. Liczba publikacji jest imponująca, bo Tadeusiewicz to weteran polskiej informatyki. Karierę naukową zaczynał w latach 70.; jako student pracował przy ocenie jakości komponentów legendarnego rodzimego komputera Odra 1204. Potem na Akademii Górniczo-Hutniczej zajmował się kwestiami związanymi z programowaniem, czy to służącym do sterowania maszyn czy odwzorowywania procesów biologicznych. Teraz profesor wykorzystuje lata doświadczenia w pracy nad nietypowym wynalazkiem – maszyną do żołędzi.
Konkretnie chodzi o urządzenie, które będzie w stanie samodzielnie ocenić, czy dane żołędzie nadają się jeszcze do sadzenia, czy są zepsute. Zagadnienie może wydawać się błahe, ale problem – i jego rozwiązanie – już takie nie są. – Żołędzie szybko się psują, a długotrwałe przechowywanie im nie służy. Nie stanowiłoby to problemu, gdyby dęby rodziły nasiona co roku, tymczasem lata nasienne powtarzają się co 5–7 lat – tłumaczy profesor. Co więcej, żołędzie są wrażliwe na obtłuczenia, niewłaściwą wilgotność i brak dostępu do powietrza. Padają też ofiarami chorób wywoływanych przez grzyby. Jeden z nich, Ciboria batschiana, powoduje mumifikację żołędzi, objawiającą się czernieniem wewnątrz nasiona.
To stanowi wyzwanie dla leśników, dla których żołędzie to naturalne źródło przyszłych dębowych sadzonek. Żeby zminimalizować straty w hodowli – a więc żeby nie siać nasion, z których nic nie wyrośnie – żołędzie poddaje się weryfikacji. Nie wystarczy przy tym po prostu obejrzeć dębowego oseska z zewnątrz – w ten sposób nie wykryje się zmian mumifikacyjnych. Jedynym sposobem oceny jest zajrzeć do jego wnętrza. W związku z tym nasiona poddaje się skaryfikacji – czyli odcięciu niewielkiej części od strony bez szpiczastego ogonka. Dopiero wtedy możliwa jest rzetelna ocena stanu żołędzia.
Ręczne wykonywanie tej procedury jest żmudne, w związku z czym na Uniwersytecie Rolniczym w Krakowie pojawił się pomysł, żeby ją zautomatyzować. Do zespołu kierowanego przez prof. Józefa Walczyka dołączyli inżynierowie z Akademii Górniczo-Hutniczej (z Tadeusiewiczem na czele) oraz Przemysłowego Instytutu Maszyn Rolniczych (pod nadzorem prof. Jana Szczepaniaka). Powstanie urządzenia sfinansowało Narodowe Centrum Badań i Rozwoju grantem o wartości 2,35 mln zł.
– Naszym zadaniem jest konstrukcja maszyny, która będzie pobierać nasiona z pojemnika, oceniać ich ułożenie, w razie potrzeby odwracać, a następnie odcinać kawałek żołędzia i oceniać jego stan – tłumaczy prof. Tadeusiewicz, otwierając drzwi do mieszczącego się w piwnicy warsztatu Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej AGH, gdzie obok rowerów pracowników stoi prototyp urządzenia. Na obudowie odblaskowa, żółta naklejka ostrzega przed możliwością zranienia przez wirujące noże.
Maszyna składa się z pojemnika na żołędzie, rynienki, dwóch kamer, chwytaka, noży oraz stelażu, na którym to wszystko jest zamontowane. Zasada działania dokładnie taka, jak ją opisał profesor. Żołędzie trafiają do podajnika, skąd wyskakują jeden za drugim, w szeregu, do rynienki. Tutaj obserwuje je pierwsza kamera, której zadaniem jest ustalić, czy owoc obrócony jest we właściwą stronę (jeśli żołędziowi odetnie się zły koniec, obumrze). Jeśli tak, swobodnie zjeżdża dalej; jeśli nie, jego orientację o 180 stopni zmienia obrotnica. Rynienką żołędzie zjeżdżają do otworu, w którym łapie je chwytak. W tym momencie wirujące noże dokonują skaryfikacji, a kamera nr 2 ocenia stan wnętrza owocu. Na podstawie obrazu z kamery urządzenie podejmuje decyzję i żołądź trafia albo do sadzenia, albo na śmietnik.
O ile sama mechanika urządzenia jest prosta (choć pomysłowa), o tyle jego sercem jest oprogramowanie, dzięki któremu maszyna potrafi ocenić, czy żołądź jest zwrócony we właściwą stronę oraz czy nie jest zepsuty w środku. Odpowiadają za to algorytmy rozpoznawania obrazów – tej samej technologii, dzięki której fotoradary identyfikują tablice rejestracyjne, skanery rozpoznają pismo, a Facebook orientuje się, w którym miejscu na zdjęciu jest twarz.
Zasada działania rozpoznawania obrazów – jednego z najstarszych zagadnień z dziedziny sztucznej inteligencji – jest zawsze taka sama. Chodzi o to, żeby pokazać maszynie, czego konkretnie ma szukać na zdjęciach żołędzi – w tym wypadku będzie to albo strona, w którą zwrócony jest czubek, albo obecność zmian o czarnym kolorze we wnętrzu. Ponieważ każde zdjęcie dla komputera to jest po prostu zestaw liczb opisujących parametry (kolor) każdego, wyświetlanego punktu (piksela), trzeba jeszcze wyodrębnić cechy obrazu pozwalające na jego rozpoznanie w języku zrozumiałym dla komputera.
– Maszyna otrzymuje zbiór uczący, czyli zestaw zdjęć, na których występują dane cechy i na którym może się wzorować. Kiedy kamera robi żołędziowi zdjęcie, komputer porównuje jego zawartość ze zdjęciami ze zbioru uczącego – przy czym nie musi porównywać każdego piksela, ale wystarczy, że skupi się tylko na zestawie cech opisujących pożądaną kategorię – na przykład zdrowych żołędzi. Dzięki temu rozpoznawanie obrazów działa znacznie szybciej – tłumaczy naukowiec.
Prace nad urządzeniem trwały niecały rok, z czego – jak mówi profesor – większość zajęły prace koncepcyjne. Inżynierowie rozważali na przykład inny mechanizm podawania żołędzi pod noże, który działałby jak karuzela. Docelowo maszyna ma być bardziej kompaktowa, nie będzie też musiała być podłączona (jak teraz) do komputera osobistego. Analizą zdjęć dębowych nasion zajmie się bowiem automatyka przemysłowa. Zanim jednak urządzenie nabierze ostatecznej formy, czeka je najważniejszy test – polowy. W kwietniu wynalazek po raz pierwszy zajmie się segregacją żołędzi „na serio”. Jak sobie poradzi, będzie wiadomo we wrześniu, z ilu pozytywnie ocenionych nasion wyrosły drzewka.
W tym czasie profesor dalej będzie popularyzował naukę. Może nawet napisze kolejną książkę dla dzieci – na koncie ma już dwie.
Eureka! DGP
Trwa czwarta edycja konkursu „Eureka! DGP – odkrywamy polskie wynalazki”, do którego zaprosiliśmy polskie uczelnie, instytuty badawcze i jednostki naukowe PAN. Do 16 czerwca w Magazynie DGP będziemy opisywać wynalazki nominowane przez naszą redakcję do nagrody głównej, wybrane spośród 68 nadesłanych przez uczelnie i instytuty.
Rozstrzygnięcie konkursu nastąpi pod koniec czerwca. Nagrodą jest 30 tys. zł dla zespołu, który pracował nad zwycięskim wynalazkiem, ufundowane przez Mecenasa Polskiej Nauki – firmę Polpharma – oraz kampania promocyjna dla uczelni lub instytutu o wartości 50 tys. zł w mediach INFOR Biznes (wydawcy Dziennika Gazety Prawnej) ufundowana przez organizatora.
