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团队|一粒米的特殊旅行——青年师生组队用另一种方式打开“禾下乘凉梦”

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团队|一粒米的特殊旅行——青年师生组队用另一种方式打开“禾下乘凉梦”
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米机采集到的米质图像 。哈尔滨工程大学李冰教师团队供图
在黑龙江 ， 袁隆平先生的“禾下乘凉梦” ， 正在一群青年科技工作者的努力下 ， 以智能制造的方式走进现实 。
登录控制系统软件 ， 输入原料基础信息及成品指标要求后 ， 经过采集原料图像信息等多项工序 ， 很快一批含有胚芽的大米就会在一款特殊的米机中被生产出来……
这款特殊米机 ， 由哈尔滨工程大学青年教师李冰携手90后学生团队设计并研发 ， 其生产的大米与日常生活中见到的大米并不相同 。 因为含有胚芽 ， 它的存在犹如为大米边缘处的缺口戴上了“帽子” ， 让米粒更为圆润饱满富有营养 。
小胚芽含有大营养
长期以来 ， 粮食加工减损都是全球各个国家关注的重要问题 。 2021年9月 ， 我国倡议召开的国际粮食减损大会发布了《国际粮食减损大会济南倡议》 ， 其中提出减少粮食损失和浪费 ， 已成为提高粮食安全的重要手段和紧迫的全球性命题 。
事实上早在2014年 ， 李冰团队就针对粮食减损问题开始了项目筹备 ， 将某基础科研项目中的小目标检测关键技术 ， 转化应用到水稻适度加工方向 。
在前期调研时 ， 团队发现传统水稻加工依靠米之间的硬性摩擦 ， 在相互作用力的帮助下实现去皮碾白 。 这种方式加工出的精白米营养较少 ， 剩下的淀粉主要提供热量 ， 人吃多了容易引起糖尿病等疾病 ， 不利于人体健康 。 在加工过程中损失的胚芽富含营养成分 ， 被视为“植物中的软黄金” ， 其营养价值是大米胚乳部分的20倍 。 相关数据显示 ， 留有胚芽的大米相比精白米 ， 仅维生素E的含量就高出210倍 。
“目前全球水稻加工环节存在着巨大损失 ， 其根源是研究原理的落后和技术的滞后 。 而落后的研究原理则会直接导致粮食损失及营养物质的大量流失 。 ”哈尔滨工程大学2017级控制科学与工程专业博士李硕峰说 。
2017年 ， 哈尔滨工程北米科技有限公司应运而生 ， 李冰是该公司的创始人 ， 李硕峰是联合创始人 ， 他们带领团队开始对活性留胚米智能加工系统进行研发 。
“我们要做的就是在去除糙米皮层的同时 ， 将胚芽最大完整度地留下 。 ”李冰说 ， 直到2019年 ， 他们才初步搭建起水稻适度加工生产线 ， 这个过程整整花费了两年时间 。
让每一粒米都能被“看见”
在研发活性留胚米智能加工系统的过程中 ， 团队提出通过视觉反馈、柔性碾磨等技术 ， 形成一个完备的水稻适度加工解决方案 。 这个方案一旦落地 ， 将实现水稻加工质的突破 。
在研究过程中 ， 李冰和学生们遇到了难题：首先 ， 大米的胚芽非常细小且十分相似 ， 在检测镜头下仅占几十个像素 ， 现有的检测模型难以准确分辨 。 其次 ， 为了测试米机的系统稳定性和适用性 ， 团队需要采购大量的不同种类的米 。
“不同的米 ， 形状也不大相同 ， 在实际加工中大米并不是平铺的 ， 掺杂在一起容易形成密集粘连 ， 很难实现检测提取 。 ”李硕峰说 。
他告诉中青报·中青网采访人员 ， 要想最大限度地保留胚芽 ， 必须先细致观察原料图像信息 ， 才能根据品质偏差实施动态调整 。 为此 ， 团队基于胚芽的特征 ， 自主搭建了多种模型算法 ， 在算法加持下 ， 大米的视觉检测准确率达到97.2% ， 实现了单米粒的检测提取 ， 让每一粒米都能被“看见” 。
在此基础上 ， 团队研究出个性化碾磨程序 ， 将碾磨精度控制在50微米 ， 做到“一米一参数” ， 从而为米机的优化调整提供数据支撑 。
大米进入设备后 ， 要经过3道680余次的分层柔性碾磨精细加工 。 相比传统的加工方式 ， 团队采用的加工方式更为“柔和” 。 在加工前 ， 团队首先将米分层铺开 ， 进入机器后 ， 特殊的米刀在对米摩擦的基础上 ， 其特殊的构造将米“包裹”起来逐粒进行柔性摩擦 ， 最大可能性地减少对胚芽的破坏 。
“我们能将相当于头发丝三分之一厚度的纤维层精确剥离 ， 使碾磨后的大米胚芽保存完整 ， 依然保留胚芽活性 。 ”团队成员李佳帅介绍 ， 在采集的图像中 ， 米粒晶莹剔透 ， 犹如一颗颗“珍珠” 。 由于其胚芽保存完整 ， 依然保留胚芽活性 ， 业内人士称之为“活米” 。
经检测 ， 团队自主研发的加工系统能实现稻谷留胚率达95% ， 胚芽完整度大于95% ， 远超日本留胚率80%的标准 ， 达到国际先进水平 ， 在其他条件不变的情况下 ， 可实现水稻减损3%-5% 。
“不要小看这个数字 ， 2021年全国稻谷产量大约为4260亿斤 ， 技术的应用 ， 可以为全国的水稻每年在加工环节减少至少127.8亿斤的损失 。 ”李硕峰说 。
据了解 ， 李冰团队“藏粮于技——水稻适度加工产业化助力国家粮食安全”项目的核心技术及设备生产均由团队自主完成 ， 实现了百分之百国产化 。 团队成员围绕关键技术已经发表论文15篇 ， 拥有授权专利70项 ， 软件著作权10项 。 同时 ， 该项目在2020年第七届中国“互联网+”大学生创新创业大赛中获得师生共创组金奖 。
接棒“禾下乘凉梦”
“袁隆平先生有一个禾下乘凉梦 ， 我们也有一个梦 ， 希望通过技术攻关 ， 为国家粮食安全保驾护航 。 ”李硕峰说 。
据他回忆 ， 在项目开展之初 ， 米机加工程序繁多 ， 当时的模型需要人工手动输入指令 ， 大大降低了检测的效率 。 团队尝试了框架移植、建立动态链接库、搭建通信接口等方式 ， 使模型在米机的工控机上一键开启自动检测 。 在生产线搭成后 ， 团队开始测试程序算法、运行速度和稳定性等 ， 整个过程可谓“一步一坎” 。
团队成员李铭泽告诉中青报·中青网采访人员 ， 项目在开展之初 ， 曾因系统崩溃遭遇过机器停机 。 崩溃的程序、找不出错处的混乱代码、产品稳定性差适配性弱等问题 ， 一次次考验着团队的创新能力和耐心 。
“有的小问题可能是某根需要串联的线 ， 一不小心连成了并联 ， 或者电压不稳等 ， 需要我们逐个排查设备的每个节点、每行代码 ， 一根一根线地查 ， 才能找到问题的根源 。 有些问题的修复可能需要一两周 。 ”李铭泽说 ， 对着数万行代码逐行调试 ， 或简化模型、或更换硬件 ， 进行程序修复 ， 成为他们工作的日常 。
米机的体积很大 ， 团队成员调试时 ， 需要将整个上半身都探到机器里面 ， 机器运行的声音高达八九十分贝 ， 一天下来震得耳朵发疼 。
功夫不负有心人 。 经过持续不断地测试、调节、修复、优化 ， 团队成员逐渐实现了设备使用的基本稳定性 ， 但他们的目标却不止于此 。
“我们的目标是推动水稻加工产业发展升级 ， 绝不能只做摆在实验室里的花架子 。 ”李冰说 。
在团队成员的共同努力下 ， 李冰所在的公司在2019年入选首批黑龙江省技术创新中心 ， 获批建设“黑龙江省工程北米水稻适度加工智能科技技术创新中心” 。
2020年 ， 黑龙江省农科院相关负责人主动找到李冰 ， 为了验证设备是否“名副其实” ， 黑龙江省农科院的专家拿来10余种米 ， 现场检测设备的加工质量 。 经过对比 ， 李冰团队的留胚米智能设备加工质量的确高于普通设备 。
“粒粒皆辛苦 ， 我们要尊重自然与汗水共同缔造的产物 ， 将最好的技术投入到粮食的加工行业 。 ”李冰感慨 ， 用科技为国人健康保驾护航 ， 为粮食安全贡献力量 ， 这是他和学生们一直为之努力的目标和信条 。
未来 ， 李冰团队计划在全国建立智能车间与智慧工厂 ， 建立多个水稻适度加工的产业基地 ， 将工程设备推广至全国 ， 将“中国智造”推广至全世界 。
【团队|一粒米的特殊旅行——青年师生组队用另一种方式打开“禾下乘凉梦”】中青报·中青网见习采访人员 韩荣 来源：中国青年报

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