零距離

一粒米的特殊旅行

青年師生組隊(duì)用另一種方式打開(kāi)“禾下乘涼夢(mèng)”

在黑龍江，袁隆平先生的“禾下乘涼夢(mèng)”，正在一群青年科技工作者的努力下，以智能制造的方式走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

登錄控制系統(tǒng)軟件，輸入原料基礎(chǔ)信息及成品指標(biāo)要求后，經(jīng)過(guò)采集原料圖像信息等多項(xiàng)工序，很快一批含有胚芽的大米就會(huì)在一款特殊的米機(jī)中被生產(chǎn)出來(lái)……

這款特殊米機(jī)，由哈爾濱工程大學(xué)青年教師李冰攜手90后學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研發(fā)，其生產(chǎn)的大米與日常生活中見(jiàn)到的大米并不相同。因?yàn)楹信哐浚拇嬖讵q如為大米邊緣處的缺口戴上了“帽子”，讓米粒更為圓潤(rùn)飽滿富有營(yíng)養(yǎng)。

小胚芽含有大營(yíng)養(yǎng)

長(zhǎng)期以來(lái)，糧食加工減損都是全球各個(gè)國(guó)家關(guān)注的重要問(wèn)題。2021年9月，我國(guó)倡議召開(kāi)的國(guó)際糧食減損大會(huì)發(fā)布了《國(guó)際糧食減損大會(huì)濟(jì)南倡議》，其中提出減少糧食損失和浪費(fèi)，已成為提高糧食安全的重要手段和緊迫的全球性命題。

事實(shí)上早在2014年，李冰團(tuán)隊(duì)就針對(duì)糧食減損問(wèn)題開(kāi)始了項(xiàng)目籌備，將某基礎(chǔ)科研項(xiàng)目中的小目標(biāo)檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，轉(zhuǎn)化應(yīng)用到水稻適度加工方向。

在前期調(diào)研時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)水稻加工依靠米之間的硬性摩擦，在相互作用力的幫助下實(shí)現(xiàn)去皮碾白。這種方式加工出的精白米營(yíng)養(yǎng)較少，剩下的淀粉主要提供熱量，人吃多了容易引起糖尿病等疾病，不利于人體健康。在加工過(guò)程中損失的胚芽富含營(yíng)養(yǎng)成分，被視為“植物中的軟黃金”，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值是大米胚乳部分的20倍。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，留有胚芽的大米相比精白米，僅維生素E的含量就高出210倍。

“目前全球水稻加工環(huán)節(jié)存在著巨大損失，其根源是研究原理的落后和技術(shù)的滯后。而落后的研究原理則會(huì)直接導(dǎo)致糧食損失及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的大量流失。”哈爾濱工程大學(xué)2017級(jí)控制科學(xué)與工程專業(yè)博士李碩峰說(shuō)。

2017年，哈爾濱工程北米科技有限公司應(yīng)運(yùn)而生，李冰是該公司的創(chuàng)始人，李碩峰是聯(lián)合創(chuàng)始人，他們帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始對(duì)活性留胚米智能加工系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。

“我們要做的就是在去除糙米皮層的同時(shí)，將胚芽最大完整度地留下。”李冰說(shuō)，直到2019年，他們才初步搭建起水稻適度加工生產(chǎn)線，這個(gè)過(guò)程整整花費(fèi)了兩年時(shí)間。

讓每一粒米都能被“看見(jiàn)”

在研發(fā)活性留胚米智能加工系統(tǒng)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)提出通過(guò)視覺(jué)反饋、柔性碾磨等技術(shù)，形成一個(gè)完備的水稻適度加工解決方案。這個(gè)方案一旦落地，將實(shí)現(xiàn)水稻加工質(zhì)的突破。

在研究過(guò)程中，李冰和學(xué)生們遇到了難題：首先，大米的胚芽非常細(xì)小且十分相似，在檢測(cè)鏡頭下僅占幾十個(gè)像素，現(xiàn)有的檢測(cè)模型難以準(zhǔn)確分辨。其次，為了測(cè)試米機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和適用性，團(tuán)隊(duì)需要采購(gòu)大量的不同種類的米。

“不同的米，形狀也不大相同，在實(shí)際加工中大米并不是平鋪的，摻雜在一起容易形成密集粘連，很難實(shí)現(xiàn)檢測(cè)提取。”李碩峰說(shuō)。

他告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，要想最大限度地保留胚芽，必須先細(xì)致觀察原料圖像信息，才能根據(jù)品質(zhì)偏差實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整。為此，團(tuán)隊(duì)基于胚芽的特征，自主搭建了多種模型算法，在算法加持下，大米的視覺(jué)檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到97.2%，實(shí)現(xiàn)了單米粒的檢測(cè)提取，讓每一粒米都能被“看見(jiàn)”。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)研究出個(gè)性化碾磨程序，將碾磨精度控制在50微米，做到“一米一參數(shù)”，從而為米機(jī)的優(yōu)化調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

大米進(jìn)入設(shè)備后，要經(jīng)過(guò)3道680余次的分層柔性碾磨精細(xì)加工。相比傳統(tǒng)的加工方式，團(tuán)隊(duì)采用的加工方式更為“柔和”。在加工前，團(tuán)隊(duì)首先將米分層鋪開(kāi)，進(jìn)入機(jī)器后，特殊的米刀在對(duì)米摩擦的基礎(chǔ)上，其特殊的構(gòu)造將米“包裹”起來(lái)逐粒進(jìn)行柔性摩擦，最大可能性地減少對(duì)胚芽的破壞。

“我們能將相當(dāng)于頭發(fā)絲三分之一厚度的纖維層精確剝離，使碾磨后的大米胚芽保存完整，依然保留胚芽活性。”團(tuán)隊(duì)成員李佳帥介紹，在采集的圖像中，米粒晶瑩剔透，猶如一顆顆“珍珠”。由于其胚芽保存完整，依然保留胚芽活性，業(yè)內(nèi)人士稱之為“活米”。

經(jīng)檢測(cè)，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的加工系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)稻谷留胚率達(dá)95%，胚芽完整度大于95%，遠(yuǎn)超日本留胚率80%的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，在其他條件不變的情況下，可實(shí)現(xiàn)水稻減損3%-5%。

“不要小看這個(gè)數(shù)字，2021年全國(guó)稻谷產(chǎn)量大約為4260億斤，技術(shù)的應(yīng)用，可以為全國(guó)的水稻每年在加工環(huán)節(jié)減少至少127.8億斤的損失。”李碩峰說(shuō)。

據(jù)了解，李冰團(tuán)隊(duì)“藏糧于技——水稻適度加工產(chǎn)業(yè)化助力國(guó)家糧食安全”項(xiàng)目的核心技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)均由團(tuán)隊(duì)自主完成，實(shí)現(xiàn)了百分之百國(guó)產(chǎn)化。團(tuán)隊(duì)成員圍繞關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)發(fā)表論文15篇，擁有授權(quán)專利70項(xiàng)，軟件著作權(quán)10項(xiàng)。同時(shí)，該項(xiàng)目在2020年第七屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得師生共創(chuàng)組金獎(jiǎng)。

接棒“禾下乘涼夢(mèng)”

“袁隆平先生有一個(gè)禾下乘涼夢(mèng)，我們也有一個(gè)夢(mèng)，希望通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，為國(guó)家糧食安全保駕護(hù)航。”李碩峰說(shuō)。

據(jù)他回憶，在項(xiàng)目開(kāi)展之初，米機(jī)加工程序繁多，當(dāng)時(shí)的模型需要人工手動(dòng)輸入指令，大大降低了檢測(cè)的效率。團(tuán)隊(duì)嘗試了框架移植、建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、搭建通信接口等方式，使模型在米機(jī)的工控機(jī)上一鍵開(kāi)啟自動(dòng)檢測(cè)。在生產(chǎn)線搭成后，團(tuán)隊(duì)開(kāi)始測(cè)試程序算法、運(yùn)行速度和穩(wěn)定性等，整個(gè)過(guò)程可謂“一步一坎”。

團(tuán)隊(duì)成員李銘澤告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，項(xiàng)目在開(kāi)展之初，曾因系統(tǒng)崩潰遭遇過(guò)機(jī)器停機(jī)。崩潰的程序、找不出錯(cuò)處的混亂代碼、產(chǎn)品穩(wěn)定性差適配性弱等問(wèn)題，一次次考驗(yàn)著團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新能力和耐心。

“有的小問(wèn)題可能是某根需要串聯(lián)的線，一不小心連成了并聯(lián)，或者電壓不穩(wěn)等，需要我們逐個(gè)排查設(shè)備的每個(gè)節(jié)點(diǎn)、每行代碼，一根一根線地查，才能找到問(wèn)題的根源。有些問(wèn)題的修復(fù)可能需要一兩周。”李銘澤說(shuō)，對(duì)著數(shù)萬(wàn)行代碼逐行調(diào)試，或簡(jiǎn)化模型、或更換硬件，進(jìn)行程序修復(fù)，成為他們工作的日常。

米機(jī)的體積很大，團(tuán)隊(duì)成員調(diào)試時(shí)，需要將整個(gè)上半身都探到機(jī)器里面，機(jī)器運(yùn)行的聲音高達(dá)八九十分貝，一天下來(lái)震得耳朵發(fā)疼。

功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過(guò)持續(xù)不斷地測(cè)試、調(diào)節(jié)、修復(fù)、優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)成員逐漸實(shí)現(xiàn)了設(shè)備使用的基本穩(wěn)定性，但他們的目標(biāo)卻不止于此。

“我們的目標(biāo)是推動(dòng)水稻加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級(jí)，絕不能只做擺在實(shí)驗(yàn)室里的花架子。”李冰說(shuō)。

在團(tuán)隊(duì)成員的共同努力下，李冰所在的公司在2019年入選首批黑龍江省技術(shù)創(chuàng)新中心，獲批建設(shè)“黑龍江省工程北米水稻適度加工智能科技技術(shù)創(chuàng)新中心”。

2020年，黑龍江省農(nóng)科院相關(guān)負(fù)責(zé)人主動(dòng)找到李冰，為了驗(yàn)證設(shè)備是否“名副其實(shí)”，黑龍江省農(nóng)科院的專家拿來(lái)10余種米，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備的加工質(zhì)量。經(jīng)過(guò)對(duì)比，李冰團(tuán)隊(duì)的留胚米智能設(shè)備加工質(zhì)量的確高于普通設(shè)備。

“粒粒皆辛苦，我們要尊重自然與汗水共同締造的產(chǎn)物，將最好的技術(shù)投入到糧食的加工行業(yè)。”李冰感慨，用科技為國(guó)人健康保駕護(hù)航，為糧食安全貢獻(xiàn)力量，這是他和學(xué)生們一直為之努力的目標(biāo)和信條。

未來(lái)，李冰團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在全國(guó)建立智能車間與智慧工廠，建立多個(gè)水稻適度加工的產(chǎn)業(yè)基地，將工程設(shè)備推廣至全國(guó)，將“中國(guó)智造”推廣至全世界。(中青報(bào)·中青網(wǎng)見(jiàn)習(xí)記者 韓榮 )

標(biāo)簽： 禾下乘涼夢(mèng) 特殊旅行 青年師生 另一種方式