Rusbase
Как роботы помогают справляться с загрязнением окружающей среды
3 сентября 2019




Слушать эту статью:
Аудио обработано сервисом БелаяТрость.рф.
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.
Проблема мусора глобальна. С ней уже не поможет полубог — его место заняли роботы. Возможно, они смогут справиться с миллиардами тонн отходов, потому что у людей пока не получается. Давайте разберемся, как роботы находят, собирают мусор, контролируют источники загрязнения и помогают людям.
Роботы — причина и решение
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.
Производство на заводе Tesla. Фото: Paul Sakuma/Associated Press
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.
Цикл мусора
Давайте рассмотрим жизненный цикл мусора, в какую часть цепи роботы могут встроиться и что именно могут делать.
Не считая производства, жизнь отходов делится на этапы:
Сбор
Сортировка
Переработка
Утилизация
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.
Сбор и вывоз мусора
Автоматы для приема отходов
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.
Умные мусорные контейнеры
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.
Умные мусоровозы
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.
Уборка рек и морей
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.
Порты и прибрежные районы
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.
Моря и озера
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.
Большое мусорное пятно
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.
Сортировка и переработка мусора
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:
Сортировка на металл и не металл
Сортировка по весу
Отделение пластика
Отделение бумаги
Отделение пищевых отходов
Ручная сортировка остатков силами рабочих, которые по определенным правилам разделяют мусор
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.


Сортировка строительных отходов
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.
Работа робота от финской компании ZenRobotics
Сортировка на разные виды
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.
Тандем «робот-человек»
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.
Как это может выглядеть?
«Умные» мусорные баки. Когда они заполняются, сигнализируют в «центр управления», ПО принимает сигнал и формирует маршрут.
Мусор забирает полуавтоматический мусоровоз, который может парковаться самостоятельно и запоминает путь.
На перевалочном пункте мусор сортируется роботами-конвейерами на пластик, стекло, картон, пищевые отходы и складывается в отдельные контейнеры. Отдельные виды мусора трамбуются прессом, собираются в блоки или мешки и отправляются или на полигон, или на мусороперерабатывающий завод.
На заводе механическим способом: краны, манипуляторы, перевозчики; мусор отправляется на переработку.
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
Людмила Чумак