Máy thu hoạch rau bán tự động

Khi trời càng nắng nóng thì những người trồng rau má ở xã Quảng Thọ (huyện Quảng Điền) - vựa rau má của tỉnh Thừa Thiên Huế càng bận rộn bởi nhu cầu về các loại nước uống giải nhiệt như rau má càng tăng cao. “Người nông dân phải phơi nắng cắt rau rất cực, trong một lần xuống địa phương, họ đã hỏi liệu chúng tôi có làm được máy hỗ trợ thu hoạch rau hay không?”, TS. Nguyễn Hữu Chúc, Trưởng phòng Quản lý Khoa học và Hợp tác quốc tế (Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế) kể lại câu chuyện dẫn anh đến với nghiên cứu máy thu hoạch rau.

Làm thế nào để thu hoạch rau trái nhanh chóng, tiết kiệm công sức và chi phí không chỉ là bài toán đặt ra với người trồng rau má ở Huế. Ngành rau quả vốn có vị trí quan trọng ở một quốc gia nông nghiệp như Việt Nam - theo thống kê của Tổng Cục Hải quan, tổng kim ngạch xuất khẩu rau quả của Việt Nam trong năm 2022 đạt 3,34 tỷ USD. Điều đáng nói là trong sản xuất rau, hoạt động thu hoạch chiếm khoảng 40% khối lượng công việc. “Do sự phức tạp trong vấn đề thu hoạch các loại rau ăn lá nên người nông dân chủ yếu thu hoạch bằng tay, tiêu tốn nhiều lao động, nhiều thời gian, mức độ cơ giới hóa thấp làm hạn chế sự phát triển ngành nông nghiệp rau ăn lá”, TS. Nguyễn Hữu Chúc nhận định.

Mặc dù trên thế giới đã có nhiều loại máy thu hoạch rau song các loại máy móc này vừa đắt đỏ, lại không thực sự phù hợp với phương pháp canh tác rau ăn lá tại Việt Nam. Trước tình trạng này, TS. Nguyễn Hữu Chúc và các cộng sự ở Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế đã nghĩ đến việc chế tạo một thiết bị thu hoạch rau hiệu quả hơn. Thông qua đề tài cấp tỉnh “Thiết kế và chế tạo máy thu hoạch rau má sử dụng năng lượng điện” (TTH.2015-KC.05) vào năm 2015, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công chiếc máy thu hoạch rau bán tự động gọn nhẹ, giúp tăng năng suất thu hoạch gấp 10-15 lần so với thu hoạch bằng tay.

Khác với loại máy thu hoạch nông sản phổ biến như máy gặt lúa, máy thu hoạch rau cần sự “tinh tế” hơn nhiều. Bởi các loại rau ăn lá vốn mỏng manh, máy thu hoạch phải tránh làm gãy nát, dập lá,... nếu không sẽ dẫn đến tỉ lệ tổn thất lớn. Việc thu hoạch rau bằng máy móc từ lâu đã phổ biến trên thế giới, các trang trại lớn của các doanh nghiệp Việt Nam cũng nhập khẩu các loại máy này. Tuy nhiên, hoạt động sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam chủ yếu vẫn ở dạng nông hộ nhỏ lẻ, người nông dân không đủ nguồn lực, và cũng không có nhu cầu đầu tư các loại máy móc tự động trên quy mô lớn như vậy. “Do đó, cần phải thiết kế ra một loại máy có thể giúp người dân thu hoạch rau ăn lá, giá cả phù hợp với những người nông dân và cách sử dụng đơn giản”, TS. Nguyễn Hữu Chúc nói.

Sau khi xác định đúng hướng cần đi, anh đã tiến hành tìm hiểu các loại máy thu hoạch rau đang có trên thị trường. TS. Chúc nhận thấy hầu hết các loại máy thu hoạch rau quy mô nhỏ ở Việt Nam vẫn là dạng máy cắt cầm tay, người dân vẫn phải ngồi cắt theo kiểu truyền thống, còn các loại máy thu hoạch dạng đứng (đi bộ) gần như chưa có, hoặc có song chỉ là máy cắt chứ không thu gom được. Tình hình trên thế giới hoàn toàn khác biệt: ở nhiều quốc gia, đặc biệt là Trung Quốc đã phát triển các dòng máy thu hoạch rau rất đa dạng. TS. Nguyễn Hữu Chúc dễ dàng tra cứu thấy hàng loạt sáng chế, từ các loại máy thu hoạch rau đi bộ với các kết cấu đơn giản, gồm bộ phận vận chuyển, thu hoạch, tiếp nhận, cơ chế di chuyển và cơ chế lái, rau cắt xong được đưa lên băng tải nhờ vào lực đẩy tới của xe. Với rau trồng trong nhà kính, Trung Quốc cũng phát triển một loại máy có thể hoạt động trên đường ray song song trong quá trình thu hoạch mà không cần can thiệp thủ công hướng di chuyển và tốc độ. Một giải pháp tiên tiến hơn là sáng chế máy thu hoạch rau ăn lá điện tử được bảo hộ tại Trung Quốc năm 2017, có thể điều chỉnh độ cao thu hoạch rau.

Các loại máy trên đều mang lại hiệu quả cao hơn so với phương pháp thu hoạch truyền thống, song khi xem xét kĩ càng, TS. Nguyễn Hữu Chúc nhanh chóng nhận ra chúng vẫn còn một số hạn chế. “Các sáng chế trên sử dụng lưỡi cắt lớn làm rau bị nát sau thu hoạch, chưa có bộ phận loại bỏ cỏ và rau úa, hoặc chưa có bộ phận cắt có thể tùy chỉnh thay đổi khoảng cách để cho ra độ dài thân rau sau thu hoạch theo ý muốn”, TS. Nguyễn Hữu Chúc phân tích. Những yếu tố trên sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến hình thức, chất lượng và giá cả rau thành phẩm. Do vậy, để chiếc máy thu hoạch rau không gặp phải những vấn đề trên, nhóm nghiên cứu phải giải quyết hai bài toán: thứ nhất, làm thế nào để cắt rau ở độ dài phù hợp và không bị dập nát, thứ hai là làm thế nào để loại bỏ cỏ và rau úa.

Việc đi tìm lời giải của bài toàn thứ nhất là điều nằm trong tầm tay của một nhà nghiên cứu đã có nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực cơ khí như TS. Nguyễn Hữu Chúc. Sau nhiều lần thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công chiếc máy thu hoạch rau với kết cấu đơn giản, dễ vận hành: bao gồm khung chính, bộ phận thu hoạch, bộ phận vận chuyển, bộ phận lưu trữ, và nguồn năng lượng. Trong đó, bộ phận thu hoạch sẽ thực hiện cắt rau và đưa lên băng tải nhờ rulô cuốn, bộ phận lưu trữ được đặt ở mặt sau của khung chính để tiếp nhận rau từ băng tải. Ở phiên bản đầu tiên, chiếc máy chạy bằng pin nhưng do bộ phận ắc quy khi đó hơi nặng nên họ đã chuyển sang dùng động cơ xăng. Anh và các cộng sự nhận thấy việc hạn chế rau nát, điều chỉnh độ dài thân rau sẽ phụ thuộc vào bộ phận lưỡi cắt. “Để rau không bị dập nát sau thu hoạch, chúng tôi đã thiết kế máy thu hoạch rau sử dụng lưỡi cưa mỏng, nhỏ, đồng thời có bộ phận để cuốn rau sau khi cắt lên băng tải”, anh cho biết. Để điều chỉnh độ dài của thân rau sau thu hoạch, họ đã sử dụng một cảm biến khoảng cách xác định khoảng cách giữa thân rau và lưỡi cưa giúp điều khiển bộ phận thu hoạch thực hiện cắt rau theo chiều dài phù hợp.

Nhưng bài toán còn lại thì không đơn giản như vậy. Sau khi cắt rau, để phân loại rau úa, cỏ dại, họ đã thiết kế thêm cánh tay robot, camera, đường ray và giá đỡ. Camera sẽ thu thập hình ảnh rau/cỏ dại, bộ phận điều khiển sau khi nhận được thông tin sẽ truyền tín hiệu đến cánh tay robot, xác định vị trí và thực hiện loại bỏ rau hư/cỏ dại ra khỏi băng tải. Có thể thấy, cơ chế nhận dạng hình ảnh và cánh tay robot này không phải là mới, đặc biệt khi TS. Nguyễn Hữu Chúc từng nghiên cứu về điều khiển cơ nhân tạo cho các ứng dụng của robot. Kết quả thử nghiệm phân loại rau trong điều kiện phòng thí nghiệm khá thành công, song khi ra ngoài đồng ruộng lại vấp phải nhiều thách thức. “Chẳng hạn ngoài đồng ruộng mấp mô, máy chạy khiến camera bị rung, dẫn đến độ nhiễu lớn, sai số cao hoặc ở ngoài trời điều kiện ánh sáng thay đổi theo gian… ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả phân loại”, TS. Nguyễn Hữu Chúc giải thích. “Để giải quyết vấn đề này, chúng tôi cần bổ sung dữ liệu (hình ảnh rau hư/cỏ dại) để đào tạo mô hình tối ưu hơn, nhưng hiện nay chưa có đủ kinh phí để làm tiếp”.

Việc tiến hành nghiên cứu bài bản đã giúp một thiết bị thoạt nghe có vẻ thô sơ như máy thu hoạch rau bán tự động của TS. Nguyễn Hữu Chúc tích hợp được nhiều tính năng, dễ sử dụng và mang lại hiệu quả cao - những tính chất tưởng như chỉ có ở những sản phẩm công nghệ tiên tiến. Với rau má, nếu thu hoạch tay, trung bình người nông dân có thể cắt được khoảng 50-70kg/1 người/1 ngày, nhưng nếu dùng chiếc máy của TS. Nguyễn Hữu Chúc, họ có thể thu hoạch tối đa 100kg/giờ. Với tính mới và hiệu quả ứng dụng cao, máy thu hoạch rau này đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng bảo hộ giải pháp hữu ích vào tháng 9/2022.

Sở hữu trí tuệ thường được coi là “điểm yếu” của các nhà khoa học - họ thường tập trung nghiên cứu mà “bỏ bê” vấn đề đăng ký bảo hộ. Tuy nhiên, TS. Nguyễn Hữu Chúc lại quan tâm đến vấn đề này từ rất sớm, bởi anh nhận thấy đây là yếu tố cần thiết khi muốn thương mại hóa kết quả nghiên cứu. Ngoài việc bảo vệ khi sản phẩm ra ngoài thị trường, việc có đăng ký sở hữu trí tuệ cũng sẽ giúp doanh nghiệp thấy được tiềm năng ứng dụng của sản phẩm: “Nếu có doanh nghiệp quan tâm, họ có thể tìm thấy thông tin về giải pháp và kết nối với mình”, anh cho biết. Một điều thuận lợi là nhu cầu về máy thu hoạch rau ở Việt Nam hiện nay khá lớn, chỉ cần gõ từ khóa “máy thu hoạch rau” trên công cụ tìm kiếm của Google, chưa đầy 1 giây, kết quả trả lại hàng triệu từ khóa. Trong những clip về máy thu hoạch rau trên YouTube, rất nhiều bình luận cũng hỏi thăm chỗ mua.

Với năng suất thu hoạch cao và ứng dụng được cho nhiều loại rau, chiếc máy thu hoạch rau của TS. Nguyễn Hữu Chúc đã thu hút sự chú ý của nhiều người, anh cũng nhận được đơn đặt hàng từ một số nơi. Tuy nhiên, anh cho biết việc thương mại hóa sản phẩm này vẫn phải đối mặt với một số thách thức: “Do đặc điểm canh tác nhỏ lẻ, chưa có quy chuẩn về luống, ruộng, mỗi hộ trồng rau lại làm đất và kích cỡ luống rau khác nhau. Do vậy, chúng tôi phải chế tạo thiết bị tùy theo đặt hàng, chưa sản xuất hàng loạt nên giá thành sẽ cao, khoảng hơn chục triệu đồng, dù hiệu quả song không phải ai cũng sẵn sàng đầu tư”, TS. Nguyễn Hữu Chúc cho biết.