Как роботы помогают справляться с загрязнением окружающей среды

Слушать эту статью:

Еще со времен Древней Греции вопрос с отходами стоял остро. Один из подвигов Геракла — очистка Авгиевых конюшен — уже в те времена был под силу только полубогу. В Иерусалиме та часть земли, куда сбрасывался и где сжигался мусор, называлась Геенной Огненной, что позже стало общим обозначением ада. В Средневековье мусор и нечистоты скидывали с окон прямо на улицу, что вызывало эпидемии болезней вроде тифа и чумы. Спустя века мы не избавляемся от мусора через окна, а складируем его на полигонах, и в некоторых странах перерабатываем.

Ежегодно в мире создается 2 млрд тонн мусора. В России одна семья за год выкидывает больше 250 кг, в результате чего его накоплено на 38 млрд тонн. По площади — это 4 млн гектаров или одна Швейцария. Конечно, мусор не находится в одном месте, а распределен по тысячам свалок, в том числе и незаконным. Самые массовые скопления мусора — свалки в Гуанчжоу и Гонконге по сотне гектаров, свалка электронных устройств Guiyu в Китае на 5,2 тысячи гектаров или Большое мусорное пятно в океане на 80 тысяч тонн.

Мусор на полигонах горит, вызывая проблемы с легкими и глазами или онкологию у жителей окрестностей. Мусор разлагается, попадает в почву, в растения и грунтовые воды и моря. Рыбы в море едят пластик, который откладывается в их тканях и попадает к нам на стол. Даже если мусор далеко, он нас касается.

Мы уже писали о том, как роботы помогают в продажах и маркетинге: встречают гостей в ресторанах, отелях, играют в спектаклях и работают промоутерами. Уже давно они заняли место людей на производстве. Уничтожать мусор они тоже способны, но, что интересно, к проблеме этого самого мусора они имеют прямое отношение.

Массовая роботизация началась с 50–60-х годов прошлого века, когда были внедрены промышленные роботы на производство различных товаров: от машин до косметики. Сначала роботы выполняли простые операции, вроде печатей штампов, потом сложнее: резка, сварка и установка деталей. Сейчас уже работают полностью автоматизированные заводы, на которых роботизирован весь цикл задач производства.

Робот не устает, не просит повышения, отпускных и не бастует, а эффективность на порядок выше человеческой. Поэтому с приходом роботов товаров и услуг стало больше. Больше товаров — больше затрат ресурсов. Больше затрат ресурсов и товаров — больше мусора. Роботизация удешевляет производство, создает больше добавочного продукта и разгоняет экономику. Если растет производство, растут и отходы этого производства.

Однако окружающая среда ускориться не может. Она не справляется с текущим мусором, что же говорить про будущий? В природе просто нет механизмов, бактерий или животных, которые могли бы переработать железо, стекло или нефтепродукты. Несколько лет назад были открыты бактерии, которые разлагают некоторые виды пластика, но очень медленно — 1 миллиметр за 30 недель. Бактериям понадобятся тысячи лет, чтобы справиться с текущим объемом пластика, даже если закрыть все заводы по производству нового.

Роботы — одна из причин проблем с мусором, но они же могут нам помочь: собирать, сортировать, утилизировать и перерабатывать мусор.

Давайте рассмотрим жизненный цикл мусора, в какую часть цепи роботы могут встроиться и что именно могут делать.

Сейчас все это делают люди. Мы собираем мусор в пакеты и выносим в баки. В некоторых странах, таких как Швеция, Финляндия или Швейцария, жители законодательно обязаны дополнительно сортировать мусор на стекло, пластик, органику и другие виды. После того, как мусор попал в бак, его забирает мусоровоз и отвозит в центр распределения, потом на свалку или на мусороперерабатывающий завод.

Этот первый шаг — забор мусора — можно роботизировать.

Первая ступень роботизации уборки мусора — автоматы для приема отходов. Они уже внедрены и работают в Швеции в супермаркетах, аптеках и автозаправках. Автоматы принимают мелкий бытовой и вредный мусор: лампочки, батарейки, лаки, клеи, краски, баллончики, стеклотару, консервные банки. За принятый мусор автомат выдает вознаграждение.

Так решаются две задачи. Первая — приучить людей финансовой стимуляцией не бросать мусор где попало. Вторая — некоторым образом автоматизировать сбор отходов.

Подобные аппараты в России пока встречается точечно — например, в магазинах здоровой еды «ВкусВилл». В магазинах сети уже почти два года стоят контейнеры для приема батареек. Каждый месяц они собирают почти 10 тонн батареек, а магазин тратит на утилизацию вредных отходов по 700 тысяч рублей. Вознаграждение за сданные батарейки не выдается, но оно и не нужно — все работает на альтруизме. Отдельно работают пандоматы — аппараты для приема пластиковых и алюминиевых бутылок.

Соседи шведов — голландцы в Гааге — также пошли по этому пути и внедряют «умные» мусорные контейнеры. В контейнерах стоят датчики заполненности. Информация об этом передается в службу вывоза четыре раза в день. ПО в службе анализирует объем мусора и строит график сбора — каждый раз маршрут разный, в зависимости от данных. Сборщики мусора экономят время и деньги, не собирая полупустые баки, не катаясь лишний раз по маршруту и не застаиваясь в пробках. Кроме того, система может планировать маршрут на следующий день, анализируя данные за несколько суток.

Датчики стоят в 1,4 тысячи подземных мусорных контейнерах в Гааге. Производитель — компания Enevo из Финляндии. Она выпускает датчики и ПО для аналитики отходов и работает в 35 странах. Внедрение системы для госслужб и частных компаний показало, что автоматический сбор эффективнее ручного. Компании экономят по 30% от затрат на вывоз мусора с помощью датчиков и ПО. Иногда экономия может достигать 50%.

В России существует аналог — устройство от компании Wasteout. Это прибор, в который встроены датчики: ультразвуковой, температуры, наклона и радиомодуль для передачи данных о заполненности контейнера. Система аналогична Enovo, но замеры производятся иначе, поэтому патент не нарушается. Приборы Wasteout установлены в Москве, Санкт-Петербурге и Калуге. В Перми используются компанией «Буматика», которая управляет полигоном отходов. Устройства настроены на работу в мороз, жару и защищены от вандалов.

Если наделить «умом» контейнеры с мусором, то почему бы не сделать то же самое с мусоровозами? Кажется, что это логичный шаг? Да, так и есть.

В 2017 году две шведские компании, автогигант Volvo и компания Renovo, которая утилизирует отходы, запустили совместный проект ROAR — Robot-based Autonomous Refuse handling или роботизированный мусоровоз.

Мусоровозом управляет человек, но часть работы автоматизирована. Новые маршруты прокладывает водитель, а машина их запоминает. В следующий раз автомобиль проедет до контейнеров самостоятельно по GPS, с минимальными затратами топлива. Мусоровоз запоминает расположение баков и других препятствий, может двигаться задним ходом и объезжать припаркованные автомобили. В нем установлены датчики, и если он заметит кошку, ребенка или другой движущийся объект на дороге, машина останавливается. Единственное, что делает человек — управляет механизмом, который загружает отходы в кузов.

На год раньше те же мусоровозы оснащались беспилотниками для мониторинга загруженности баков. Но проект не получил развития. Мусоровоз без дронов и так работает эффективно.

Отдельный вопрос — уборка морей, рек и озер. В воде контролировать мусор тяжелее, чем на суше. Течения относят отходы в самые разные места, мусор скапливается на дне или в толще воды. Если течения нет, то мусор остается у берегов и убирать его приходится вручную.

Как с этим собираются справляться роботы? Начнем с малого.

Компания RanMarine разработала робота WasteShark, который будет плавать в портах и прибрежных районах и собирать отходы прежде, чем они попадут в открытый океан. WasteShark — это плавающая пластиковая «коробка со ртом» и электродвигателем. Коробка «глотает» мусор в воде и параллельно анализирует качество воды, измеряет температуру моря и воздуха и передает эти данные «на берег». Оператор «коробки» по данным корректирует курс.

WasteShark прошел испытания в Роттердаме, а сейчас убирает мусор в Великобритании и Дубае.

В дальнейшем компания RanMarine планирует собрать и выпустить в море большого робота Great Waste Shark. За один раз он сможет собрать 500 кг мусора. Робот будет питаться от солнечных батарей, а ориентироваться в море по навигатору.

Похожий по функционалу аппарат — Marine Drone — разработали во Франции. Авторы (Международная конструкторская школа) решили разобрать Большое мусорное пятно. Marine Drone похож на WasteShark, но плавает под водой. Робот похож на мусорную корзину с двигателями и батареями, которая плавает и ловит мусор автономно.

Робот доплывает до места сбора мусора на корабле, затем его спускают, и Marine Drone ловит пластиковые бутылки, пакеты, картон, попутно отпугивая рыб звуковыми излучателями. Когда корзина наполнится, робот возвращается на корабль, где собранные отходы извлекают, а батареи перезаряжают.

Еще несколько разработок морских уборщиков.

• Row-Bot — маленький робот британского производства, который очищает воду от бактерий. Энергию черпает от самих же бактерий, которых «переваривает» в себе.
• Seasarm из США — плавучий конвейер, который собирает нефтепродукты с поверхности воды.
• FRED от ClearBlueSea — платформа длиной 30 м на парусах, собирает пластик в море.

Разбор прибрежных завалов рек, морей и озер — относительно простая задача. Простая относительно Большого мусорного пятна. Это самая большая свалка в мире — мусорное государство в центре Тихого океана. Оно настолько огромное, что, кажется, скоро получит свой собственный флаг и место в ООН.

В основном пятно состоит из пластика и рыбацких сетей. Пластик со временем и под воздействием соленой воды распадается на части, а потом на частицы размером от сантиметра до миллиметра и меньше. Частицы взвешены в воде и образуют «пластиковый суп». Этим супом питается планктон, им — рыбы, и дальше по пищевой цепи пластик попадает к нам на стол.

Решить эту проблему хочет Боян Слат — молодой изобретатель из Нидерландов. Боян основал стартап Ocean Cleanup, цель которого — очистить океан от пластика. Разработка Бояна — это гигантской, в несколько десятков или сотен метров, плавучий рукав в форме буквы V, к которому прикреплена сеть. Сеть утоплена в воду под углом и балансирует на якорях и маленьких поплавках. Всю конструкцию растягивают в море, и благодаря течению в нее попадает мусор.

Тестовые «прогоны» проводились у берегов Голландии, Сан-Франциско и Японии, а сейчас конструкция направляется к Большому пятну. Да, конструкция Бояна не робот, но, возможно, решит самую большую мусорную проблему без участия человека.

Следующий этап — сортировка. Объединить сортировку и сбор решили в Китае. Cтартап Clean Robotics представил симбиоз мусорного бака и сортировочного робота — Trashbot. Робот представляет собой мусорный бак с камерами, сенсорами, детекторами металла и двигателями. Когда человек подходит к роботу, сенсоры это определяют и двигатели открывают крышку бака. Мусор падает внутрь, а система разделяет мусор на металл, пластик и другие виды.

Вариант экзотичен. Если не рассматривать подобные странные гибриды мусорного бака и сортировочного конвейера, то классический метод сортировки мусора идет в несколько этапов:

Каждый этап делится на подэтапы. Все зависит от уровня развития перерабатывающих предприятий в стране. Отходы, которые разложены по разным контейнерам, отправляют на специальные заводы для технологической переработки.

Как и в случае с другой монотонной работой, этап сортировки автоматизируется. Компания ZenRobotics из Финляндии создала технологию Recycler, которая объединяет три этапа в один, но пока только для строительных отходов.

Физически робот — это два манипулятора, лента конвейера, объемные контейнеры и датчики: видеокамеры разных типов и металлоискатели. Нефизически — искусственный интеллект, который основан на адаптивном алгоритме поиска. Алгоритм использует принципы функционирования человеческого мозга. Ему показывают образцы мусора, указывают, какому типу он соответствует, и алгоритм обучается находить подобное в общей массе отходов.

Строительный мусор подается на конвейер, а датчики и алгоритм обученного робота определяют материал предмета. Робот хватает манипулятором объект весом до 20 кг и направляет его в соответствующий складской контейнер или на полосу конвейера для переработки. Точность робота — 98%.

Если какой-то фрагмент мусора робот не сможет распознать, то по конвейеру он попадет в отдельный контейнер, а потом снова на начало конвейера. По сравнению с ручным способом такая сортировка эффективнее даже с ошибками. Система сортировки может состоять из двух или больше роботов. ПО робота самообучается и в дальнейшем работает точнее.

Подобный робот для уборки строительного мусора разработали и в Китае. В Сунцзян, одном из районов Шанхая, машины размером с пятиэтажный дом чистят стройку от мусора. Они разделяют мусор на почву, песок, кирпичи и отходы для сжигания. Крупные фракции бетона, камней или раствора роботы дробят, чтобы проще было перевозить их на свалку. Строительный мусор очень пыльный, но и эту проблему решили водяной завесой. За один час робот обрабатывает 300 тонн мусора. Это эквивалентно труду 25 человек.

Подобные роботы — пилотные. В этом году устройство планируют усовершенствовать. Проектированием занимается исследовательский центр CSG Robot Base. В планах достичь уровня переработки в 600 тысяч тонн в год. Китай — страна, в которой идет непрерывная стройка. Строительная отрасль занимает 6–7% от ВВП страны, поэтому такие роботы обречены на повсеместное использование.

Еще одного подобного сортировщика разработали в Германии. Компания Gunther Envirotech разработала сортировочную установку Splitter. В отличие от аналогов из Финляндии, немецкое устройство не использует датчики, сенсоры и ПО. Вместо этого работает механика: шнеки и валы определенной формы сортируют мусор по форме, размеру и весу на три категории. Сортировка мусора роботом Splitter грубая и подходит для первичного разделения на фракции.

Дальнейшая эволюция сортировщиков будет идти по пути усложнения. Мусор будет сортироваться на бетон, легкий и тяжелый кирпич, газобетон, силикат, гипс, асбест. Вне строительной отрасли роботов требуется усложнить еще больше: сортировку на пластик, бумагу, дерево, электронные устройства, ткань, пищевые отходы, лекарства. В каждой категории требуется разделение по весу, размеру и видам, например, на картон и бумагу.

По этому пути уже идут в MIT — Массачусетском технологическом институте. В разработке робот-сортировщик RoCycle. По задумке, робот способен определять тип материала. Для этого у него есть тактильные сенсоры, а в дальнейшем добавятся камеры и компьютерное зрение.

Других действующих роботов-сортировщиков довольно много.

• AMP Cortex от компании AMP Robotics из США. Робот извлекает картон присоской из потока мусора на конвейере. Мусор определяет посредством ПО, которое может обновляться через «облако».
• Роботы Liam. В США разбирает устаревшие айфоны, а в Англии — телевизоры с кинескопами.
• Робот SamurAI от Canada's Machinex Technologies. Распознает машинным зрением пластик, картон, коробки, упаковки. Точность робота уже равна точности человека.
• Российский робот для сортировки отходов от ГК «Экологические и энергетические технологии». Распознает 20 видов пластмассы среди другого мусора, который движется по конвейеру, за счет не просто камер, а спектрометра, который сканирует по химсоставу и цвету.

Есть и молодые российские проекты, которые пока не вывели продукты на рынок. Среди них — Neuro Recycling, резидент YotaLab. Компания разрабатывает систему сортировки отходов с использованием роботов средней и малой грузоподъёмности, которые управляются нейросетью. В команде проекта 120 человек, 50 из них заняты разработками.

Перспектива внедрить роботизацию в сбор, сортировку и переработку мусора реальна. Уже сейчас, применяя технологии, которые есть «на руках», не рассматривая утопичные или фантастические идеи, возможно автоматизировать и роботизировать этапы жизни мусора.

Конвейерные роботы для сортировки строительных и «гражданских» отходов уже работают. Роботизация отходов уменьшает процент мусора, который отправляется на полигоны, и повышает долю переработанных отходов. Автоматизация может приносить прибыль: замена роботом десятка человек на сортировке и нескольких водителей на управлении мусоровозом уменьшает затраты и повышает эффективность. Это вполне логичный этап развития человечества, такой же, как автоматизация труда рабочих на заводах. Хотя абсолютная автономность пока невозможна, тандем роботов и человека в сфере мусора вполне реален.

© Rusbase, 2019
Автор: Константин Рисков
Фото на обложке: Unsplash