Roboti i zbrinjavanje otpada

Roboti se danas malo koriste u zbrinjavanju otpada, ali će u budućnosti biti ključna sastavnica te sve važnije djelatnosti. Razlozi za robotizaciju zbrinjavanja otpada su mnogi, ali presudni su povećanje količine svih vrsta otpada, neučinkovitost postojećih načina zbrinjavanja i veliko povećanje troškova skupljanja, razvrstavanja i reciklaže. Danas, kada je cijeli planet zatrpan otpadom, a čestice mikroplastike pronalaze se i u živim organizmima problem otpada ne može se riješiti bez sustavnog pristupa, niti bez konkretnijeg korištenja strojeva. Jedan takav sustavan pristup naziva se “kružno gospodarstvo” kojim se želi uspostaviti potpuni nadzor nad proizvodima od njihove izrade do zbrinjavanja kao sekundarne proizvodne sirovine. Kružno ekološko gospodarstvo obuhvaća postupke prikupljanja, odlaganja, razvrstavanja (sortiranja) i recikliranja (oporabe) odbačenih stvari i materijala. U takvom sustavu važni su stalno praćenje i statistička obrada podataka o vrsti i količini otpada na pojedinim mjestima.

Recikliranje se definira kao “svaki postupak kojim se otpadni materijali prerađuju u proizvode, stvari ili tvari, bilo u izvorne ili druge svrhe. Uključuje preradu organskih materijala, ali ne i povrat energije i preradu u materijale koji su namijenjeni za uporabu kao gorivo ili za nasipavanje.” Recikliranje je oporaba, ne i ponovna upo- treba. To je složen postupak za osviještena društva i pojedince koji otpad individualno sortiraju već i prije prikupljanja. Uglavnom zbog ekološke neosviještenosti ljudi recikliranje nije dovoljno učinkovito: u svijetu se reciklira manje od jedne trećine ukupnog otpada i samo 14 posto plastičnog otpada. Europa je u zbrinjavanju otpada naprednija od drugih područja svijeta, ali je i u njoj robotizacija još rijetka i skupa. je to slikovito pokazuje suvremena interpretacija klasične slike Veliki val japanskog slikara Hokusaija na kojoj je oceanski val postao kovitlac smeća (slika u sredini). Prema podacima Svjetske banke svake se godine u svijetu proizvede 1,3 milijarde tona samo komunalnog krutog otpada. Do 2025. godine ta količina će se gotovo udvostručiti. Tome treba dodati građevinski otpad i sl. Posebno su otpadom opterećena mora (slika lijevo) po kojima plivaju milijuni tona plastike koja je postupno ušla i u organizme u obliku mikročestica. Najveći dio prikupljenog otpada ne reciklira se već se odlaže na smetlišta koja poprimaju dimenzije planina (slika desno). Metode i strojevi koji se koriste za zbrinjavanje otpada još uvijek su uglavnom tradicionalni i sve manje dostatni i učinkoviti.

Od 1950. proizvedeno je u svijetu oko osam i pol milijardi tona plastike. Reciklirano je samo devet posto, 12% je spaljeno, a većina (79%) završila je na odlagalištima otpada ili u okolišu. U svijetu je 2015. proizvedeno 322 milijuna tona plastike, a očekuje se da će se ta količina udvostručiti do 2035. i učetverostručiti do 2050.

Da bi se otpad mogao recikliranjem pretvoriti u korisnu sirovinu potrebno ga je prikupiti i sortirati. U svakom od tih postupaka robotika bi trebala imati važnu ulogu već i zbog toga što se radi o teškim, zamornim, prljavim i za ljude zdravstveno opasnim poslovima. U oba navedena postupka i danas se prerađivači otpada tradicionalno oslanjaju na ručni rad. Nerazvrstan ili slabo razvrstan otpad donedavno je bilo teško strojno prepoznavati i sortirati.

SUSTAVNO PRIKUPLJANJE GRADSKOG OTPADA. Velika neuređenost sustava odlaganja otpada po gradovima, koji su najveći proizvođači otpada, razlog je nemogućnosti šire primjene strojeva. Kamioni za odvoz komunalnog smeća uobičajeni su dio gradskog života (slika lijevo). U djelatnosti prikupljanja otpada događa se prosječno 50% otkaza radnika svakih šest mjeseci. Zapošljavanje, zadržavanje i drugi troškovi radnika predstavljaju velik dio troškova zbrinjavanja smeća. Neučinkovit ručni rad nastoji se modernizirati uvođenjem kamiona s manipulatorima kojima se posude s otpadom podižu i prazne u kamionski spremnik bez ljudske pomoći (slika u sredini). Takvi sustavi rijetki su zbog visoke cijene, ali i slabe uređenosti odlaganja otpada na mjestima stanovanja. Robotizacija pojedinačnog prikupljanja otpada je na samom početku. U većini poznatih projekta posvećenih individualnom prikupljanju otpada po ulicama riječ je o rijetkim istraživačko-razvojnim zadacima sa sveučilišta. Rijedak izuzetak je kineski skupljač otpada po ulici koji bi trebao zamijeniti klasične smetlare (slika desno).

Otpad se u najboljem slučaju prikuplja kamionima opremljenima mehanizmima za pražnjenje spremnika otpada. Takav postupak izvodit će se uz asistenciju ljudi sve dok se ne uredi sustav selektivnog odlaganja otpada u kontejnere. Prikupljeni otpad gomila se na ekološki opasnim odlagalištima (smetlištima) gdje najsiromašniji ljudi kopaju po njemu u potrazi za nečim iskoristivim.

Sustavno zbrinjavanje započinje iskrcavanjem otpada na skupljalištu uz koje su smještene pomične trake za sortiranje. Ljudi stoje uz trake, prepoznaju pojedine vrste materijala i razvrstavaju ih u odgovarajuće spremnike. U pravilu je riječ o visoko kontaminiranoj sirovini koju treba očistiti od primjesa da bi se moglo stvoriti siro- vinu za recikliranje. Uz trake su smješteni i strojevi za mehaničko sortiranje otpada. Različitim metodama rastresanja na vibracijskim sitima posebnih veličina i oblika, otpuhivanjem zrakom i balističkim (gravitacijskim) rastresanjem razvrstavaju se metal, drvo, plastika, papir i sl. Zbog slabe razlučivosti takvi sustavi nikada ne razvrstaju cjelokupan otpad pa je uvijek potrebno na kraju uključiti i ljude. Prednost takvih sustava velika je brzina rada i niska cijena.

Rad robota na razvrstavanju smeća smanjuje zdravstvenu izloženost ljudi koji ga skupljaju i razvrstavaju. To je iznimno prljav i zdravstveno opasan posao s povećanim mogućnostima ozljede. Radnici su izloženi opasnim kemikalijama, prašini, plijesni, azbestu itd. Stopa pobolijevanja i smrtnosti vrlo je visoka pa je sve teže pronaći radnike.

RAZVRSTAVANJE (SORTIRANJE) OTPADA. Prije nego što se materijali mogu reciklirati, potrebno ih je odvojiti i razvrstati u različite skupine. Karton treba odvojiti od staklenih posuda, limenke od plastičnih boca. Potrebno je ukloniti predmete koji se ne mogu reciklirati i potencijalno opasne tvari kako bi se materijali mogli učinkovito i sigurno obrađivati. Najprimitivnije sortiranje otpada događa se na smetlištima gdje najsiromašniji traže predmete koji se mogu prodati ili iskoristiti (slika u sredini). Sustavno razvrstavanje provodi se na mehaničkim reciklažnim transporterima (trakama) gdje se otpad rastresa kako bi se lakše obavilo ručno sortiranje. Ručnim sortiranjem na traci odvaja se oko 200 predmeta na sat po radniku (slika lijevo). Roboti mogu razvrstati 33 000 predmeta za 10 sati po sortirnoj traci.

Napredniji sustavi sortiranja koji su uključivali i robote pojavili su se početkom drugog desetljeća XX. st. Po upotrebi robota za recikliranje Europa je naprednija od SAD-a. Tipičan napredni sustav za razvrstavanje, primjerice, građevinskog otpada sastoji se od dovodne transportne trake, specijaliziranih senzora, robotske ćelije, kontejnera za odlaganje i upravljačkog sustava. Stanica može imati 14 robota za sortiranje i 14 optičkih senzora.

Roboti za sortiranje građevinskog otpada oslanjaju se na spektroskopsko određivanje visine otpadnih objekata, sustave kamera koje prepoznaju boje, laserske senzore i detektore metala. Pojedine tvrtke usredotočuju se na recikliranje novina, kartona i plastike pomiješanih zajedno. Proteklih godina primjenom dubokog učenja uči se robote kako prepoznati predmete na temelju boje, oblika, teksture i logotipa. Kapacitet robotizirane sortirnice podržavane umjetnom inteligencijom je do 200 000 tona godišnje.

Robotske ruke za sortiranje oblikuju se prema vrsti otpada: za miješani i sitni komunalni otpad koriste se brzi paralelogramski stropni (engl. overhead) mehanizmi, dok su za građevinski otpad robotske ruke duže i mogu, ovisno o kapacitetu modela stroja i načinu prihvata predmeta, držati i podizati predmete s masom od 1 do 30 kg. Koriste se usisne prihvatnice koje su mnogo brže od mehaničkih s prstima.

Neka se rješenja mogu konfigurirati za sekundarne primjene, kao što su kontrola kvalitete

(uklanjanje neželjenih predmeta iz jednog toka otpada koji je uglavnom čist) i isisavanje nereciklabilnih materijala poput plastičnih vrećica i filma, koji mogu zaglaviti strojeve i uzrokovati zaustavljanje.

Sve veći interes za inteligentno tržište gospodarenja otpadom otvorio je poznatim robotičkim tvrtkama prostor suradnje sa specijalistima za vizualnu umjetnu inteligenciju kako bi razvili integrirana modularna rješenja.

Robotizirane sortirnice su skupe. Koštaju i do 300 000 američkih dolara, a mogu se i iznajmiti po cijeni od 6000 američkih dolara mjesečno. Očekivani rok rada je od pet do deset godina. Radnici na recikliranju zarađuju oko 25 000 američkih dolara godišnje, razvrstaju oko 40 predmeta u minuti. Roboti su s 80 razvrstanih predmeta dvostruko produktivniji od ljudi tako da svaki stroj zamjenjuje najmanje dva zaposlenika koji tvrtku koštaju najmanje 70 000 dolara godišnje. Sredstva uložena u robotiziranu stanicu za reciklažu trebala bi biti vraćena u roku od tri do četiri godine.

Takvi sustavi omogućavaju stalni uvid u dinamiku recikliranja kao i nadzor kvalitete. Dobavljači otpada dobivaju uvid u ono što njihove baze otpada sadrže, a podaci se mogu vratiti u lanac otpada kako bi se poboljšala mogućnost recikliranja na mjestima prikupljanja. Mnogi otpadni materijali nisu prikladni za recikliranje zbog komponenti koje su štetne za okoliš pa njihova prisutnost u malim količinama čini reciklirane sirovine neupotrebljivima. Prednosti robotike su u dugoročnom snižavaju troškova rada i organizaciji obrade smeća. Povećava se i učinkovitost. Poboljšava se točnost kontrole kva- litete uz smanjene troškove, a veća je transparentnost pri praćenju materijala za recikliranje. To donosi veću čistoću izlaznog materijala što povećava njegovu vrijednost pri prodaji sirovine. Danas učinkovito gospodarenje otpadom zahtijeva potpunu transparentnost i praćenje vrsta materijala i načina njihove oporabe. Uz primjenu specijaliziranih vizualnih sustava za sortiranje, predmeti se klasificiraju više od 100 puta kako bi se osigurala točnost, a podaci su dostupni u stvarnom vremenu. Kod ljudskog rada prisutna su velika odstupanja u kvaliteti i kvantiteti rada o čemu treba voditi računa zbog nedostatka radne snage. Robotizacija odabira i sortiranja nudi stalne resurse koji su potrebni za rad s optimalnom učinkovitosti.

MEHANIČKI SUSTAVI ZA SORTIRANJE. Građevinski otpad i otpad od rušenja je najvoluminozniji otpad koji u EU obuhvaća oko 30% ukupnog otpada. Propisano je da se do 2020. 70% mase neopasnog otpada mora pripremiti za ponovnu upotrebu ili reciklirati, dok se biorazgradivi i opasni organski otpad na odlagalištu mora smanjiti na 10% masenog udjela. Za recikliranje koriste se konvejeri drobilice s vibrirajućim sitima. Za pojedine materijale koriste se različiti mehanički odvajači poput zvjezdastoga za papir (slika u sredini). Slična mehanička postrojenja koriste se i za miješani otpad. Postupno su u takve uređaje uvođeni inteligentni videosustavi za prepoznavanje i robotičke ruke. Robotizacija sortirnica otpada razmjerna je sve strožim zakonskim odredbama za čistoćom recikliranog materijala jer male nečistoće mogu pokvariti cijeli paket (slika desno).

ROBOTSKO SORTIRANJE. Robotizirano sortitanje prepoznaje i razvrstava do 55 komada u minuti. Računalni vid zasnovan na neuronskim mrežama treniranim na velikim bazama slika smještenih u internetskom oblaku (slika lijevo) razlikuje materijale učinkovito kao i ljudsko oko. Prepoznaje 28 različitih klasa materijala (slika desno), a razlikuje boje, oblike, ambalažu i nepakirane materijale. Temelji se na povezivanju inteligentnih videosustava s velikom moći prepoznavanja uzoraka s brzim robotskim rukama koje s konvejera pojedinu vrstu otpada prebacuju u odgovarajuće spremnike. FANUC-ov reciklažni robot (slika u sredini) teži 75% manje od drugih reciklažnih robota. Zbog brzine rada manipulatori imaju pneumatičke prihvatnice. Učinkovitost takvog sortiranja je iznad 95%. U miješanom komunalnom otpadu teško je odrediti vrstu materijala, a prepoznavanje se vrši kombinacijom različitih videosenzora (polu IC-a) koji prepoznaju uzorke po obliku, boji ili proizvodnom kodu.

Kako su roboti točniji u razvrstavanju otpada od ljudi, postrojenja za recikliranje koja rade s niskim profitom, povećat će i količinu recikliranog materijala koji prodaju. Primjerice, plastična posuda za pakiranje salate od istog je materijala kao i plastična boca za vodu pa za infracrvenu kameru izgledaju jednako. Međutim sirovinu ne možete prodati jer su posude zagađene hranom. Novi sustavi vida u robotiziranim razvrstaonicama mogu razlikovati slične materijale.

Postrojenja za recikliranje još uvijek se bore pronaći nova tržišta za svoje materijale nakon što je Kina, najveće tržište otkupa reciklirane plastike, 2018. godine zabranila gotovo sav uvoz sortiranog materijala koji se nije mogao reciklirati jer je bio zagađen. Potreban je takav sustav računalnog vida koji može uočiti karton iako je prljav i rastrgan ili djelomično prekriven drugim materijalom. Identifikacija je učinkovitija kada su materijali raspršeni (zbog toga se otpad na transporterima raspršuje zračnom strujom), ali otpad u reciklažnom centru naizgled je nerazlučivo neuredan čak i nakon što je mehanički raspršen na transporteru. Identificiranje masne kutije za pizzu iza oštećene limenke s nepredvidivom orijentacijom zahtijeva velik reprezentativni skup podataka za treniranje neuronskih mreža. Korištenje tisuća slika smeća u različitim položajima može pomoći u obuci neuronske mreže.

Novi sustavi dubokog učenja omogućavaju robotima da vide stvari na isti način kao i ljudi. Iako je umjetna inteligencija još uvijek nova u razvrstavanju smeća, zagovornici njene uporabe vjeruju da se može koristiti i u poslovima drugačijim od kontrole kvalitete razvrstavanja.

Igor Ratković