Automatisert landbruk: Kan roboter, droner og AI redde oss fra sult?

Landbruket har kommet langt det siste århundret. Vi produserer mer mat enn noen gang før - men vår nåværende modell er uholdbar, og som verdens befolkning raskt nærmer seg 8 milliarder, vil moderne matproduksjonsmetoder trenge en radikal transformasjon hvis de skal beholde opp. Men heldigvis er det en rekke nye teknologier som kan gjøre det mulig. I denne serien, vil vi utforske noen av de innovative nye løsningene som bønder, forskere og gründere jobber med for å sikre at ingen blir sultne i vår stadig mer overfylte verden.

I Thomas Malthus’ banebrytende – selv om det ofte ble kritisert – verk fra 1798, Et essay om prinsippet om befolkning, tok økonomen et langt syn på menneskets historie, og observerte at menneskelige populasjoner, når de har en overflod av mat, vokser til de anstrenger ressursene sine, på hvilket tidspunkt knapphet setter inn. "Hungersnød ser ut til å være den siste, den mest forferdelige ressursen i naturen," sa han. "Befolkningens makt er så overlegen kraften i jorden til å produsere næring for mennesket, at for tidlig død må på en eller annen måte besøke menneskeslekten."

Poetisk som Malthus’ spådom var, gikk det ikke i oppfyllelse. I stedet kom revolusjoner innen industri og landbruk, og med dem en betydelig økning i produksjon og handel med mat. Optimistene vant, mens Malthus ble skytshelgen for spreke økonomer, en fillete predikant på historiens gater.

Selv om moderne økonomer og teknologiutopister ser på Malthus med hån, var argumentene hans rimelige gitt bevisene på den tiden. Kanskje de nye teknologiene som muliggjorde den enorme befolkningsveksten de siste århundrene ikke avsluttet muligheten for en malthusiansk katastrofe, men bare forsinket den? Menneskeheten har vært i stand til å vokse langt, langt utover hva Malthus kunne ha forestilt seg – grove anslag viser at verdens befolkning i 1800 på 890-980 millioner mennesker, mens verdens befolkning i dag overstiger 7,4 milliarder — men hvor lenge kan denne trenden Fortsette?

FN forventer verdens befolkning til å nå 8,5 milliarder innen år 2030, og 9,7 milliarder innen 2050. Mye av verdens befolkning er konsentrert i Kina og India; hvert av disse landene har for tiden mer enn én milliard mennesker, med befolkningen i India anslått å overgå den i Kina innen 2022.

Nye landbruksteknologier og -teknikker har avverget den skarpe hungersnøden som Malthus forutså. Selv om en gang mennesker måtte plante frø tilfeldig for hånd, gjorde frømaskiner bøndene i stand til å så dem i lange, ensartede linjer. Med dampdrevne traktorer kunne bøndene pløye brede land, uten behov for trege okser. Treskemaskiner kuttet ned de mange timene som er viet til tresking for hånd.

Med verdensbefolkningen som klatrer til stadig mer svimlende høyder, og med økonomisk vekst som åpner for større forbruk, kan verden trenge nok en landbruksrevolusjon for å opprettholde seg selv.

Ett svar på problemet kan ligge i automatisering. Mens landbruket har blitt stadig mer automatisert de siste 200 årene, akselererer prosessen bare. Nye teknologier, og spesielt mengder, gjør at bøndene kan forbedre effektiviteten til avlingene og husdyrproduksjonen, samt raskt nøytralisere trusler som sykdom eller tørke.

Droner kan være fremtidens gårdsarbeidere

"Det er noe stigma ved det ordet," sier Dr. Lav Khot, professor ved Washington State University og spesialist i stedsspesifikk avlingsforvaltning, om begrepet «drone». Mange talsmenn for kommersiell bruk av droner foretrekker begreper som "ubemannede luftsystemer", en lengre setning som mangler det verbale slag. Det er ikke vanskelig å se hvorfor: For mange fremkaller ordet "drone" militær maskinvare, flygende maskiner som slipper bomber eller spionerer på mål ovenfra.

Forskere som Khot eksperimenterer med forskjellige måter som droner kan brukes i landbruket, og slår disse sverdene til plogskjær. For dyrkere er en av de mest spennende bruksområdene for droner bildebehandling av avlinger. Ved å bruke droner utstyrt med multispektrale sensorer, kartlegger bønder landet sitt, tar bilder som avslører ting som fruktbarheten til bestemte jordflekker, hvor mye vann avlingene trenger og mer.

Tidligere måtte bøndene stole på satellittbilder for å få så detaljerte kart over landet deres, noe som var en ganske tidkrevende prosess. Satellittavbildning involverer ofte 14 dagers intervaller, sa Khot til Digital Trends, og problemer kan oppstå på grunn av skydekke eller andre faktorer. Med droner "kan du få det når du vil, hypotetisk."

Den raske omløpet er ikke bare praktisk; i tilfeller hvor planter er rammet av sykdom eller skadedyr, kan det være forskjellen mellom å redde en avling eller se den dø. Snakker med The GuardianSalman Siddiqui, en forsker fra International Water Management Institute, forklarer hvordan dronebilder kan brukes til å oppdage sykdommer og andre stressfaktorer hos planter. "Fotosyntetisk aktivitet avtar, og det påvirker klorofyllet," sa han - og multispektral avbildning kan oppdage disse endringene tidlig, før problemene blir så drastiske at de gir tegn på at mennesker kan se.

Dette er fordi klorofyll, molekylet som gir bladene deres grønne nyanse, trekker inn synlig lys, samtidig som det reflekterer en stor mengde infrarødt lys. Når en plante er usunn, vil den reflektere mer av det synlige lyset som treffer den, og reflektere færre infrarøde bølger. Infrarød bildebehandling kan vise bønder om plantene deres reflekterer unormale mengder lys, noe som kan føre til problemer.

Landbruk, møt automatisering

Et av Khots hovedprosjekter for øyeblikket fokuserer på vanning, eksperimentering med forskjellige vanningsteknikker og vannmengder, og bruk av dronebilder for å spore den påfølgende helsen til planter. Ta for eksempel underjordisk vanning. Dette er en prosess der rør som drypper vann plasseres under overflaten av jorda, og leverer vann direkte til røttene til avlingene. Khot og teamet hans justerer plasseringen av rørene, og tester dem på 15 eller 30 centimeter under overflaten av vinranker.

De justerer mengden vann som brukes som en del av forskningen deres, og bruker dronebilder for å kartlegge avlingene, testing "for å se om vi kan gå til 60 prosent eller 30 prosent, og fortsatt kan planten vokse og produsere like god utbytte."

Khot jobber også med vanning over overflaten, og tester sprinklere basert på lav høyde (ikke mer enn en fot over overflate) og flytte sprinklerne nærmere kalesjen, noe som bør redusere fordampningen som oppstår når vannet beveger seg gjennom luften.

Khots forskning kan få ny betydning etter hvert som klimaendringene utvikler seg. "I Washington i 2015 registrerte vi den høyeste temperaturen på flere år," sa Khot, en utvikling som kan være et resultat av klimaendringer. For å forberede seg på varmere år tester Khot og hans medforskere forskjellige varianter av pintobønner for å se hvordan de reagerer på forskjellige mengder vann. Dette bør hjelpe dem å finne ut hvilke bønner som vil være en bedre investering for bøndene hvis temperaturen stiger i fremtiden.

Ikke all bruk for droner involverer bildebehandling. Et prosjekt Khot beskriver er herlig enkelt. Ønsker å eksperimentere med en større modell av UAS, en Yamaha RMAX – et ubemannet helikopter som har vært populært i Japan for sprøyting - Khot og teamet hans kom opp med en smart løsning på et problem som har plaget Washington bønder.

Kirsebær er en av Washingtons fremste avlinger, og de står overfor en urovekkende vanlig skadedyr: regn. "Når kirsebærfrukten er moden, har den høyt sukkerinnhold, og huden blir veldig tynn," forklarer Khot. Når regnvann faller på kirsebærhagene, kan det sitte på kalesjen, og de tynnhudede kirsebærene vil absorbere det. Etter hvert som kirsebærene drikker opp fuktighet, begynner de å svelle og dele seg.

Kirsebærdyrkere kan prøve å minimere skadene fra nedbør ved å høste kirsebær raskt, eller riste grenene for å kaste av seg noe av vannet. Khot fløy en RMAX i lave høyder - 35 til 50 fot - over frukthager for å spre vann fra kalesjene. Det er en mer effektiv metode enn å riste kirsebærtrær manuelt eller med vifte - og mye billigere enn å ansette en helikopterpilot til å komme og gjøre det - men ikke en idiotsikker metode. «Fruktene her i Washington State, ikke alle er flate; vi har skrånende, og så hvert år er det noen ulykker med det, sa Khot.

Mer enn bare flygende roboter

Droner ser ut til å være et lovende verktøy for bønder fremover, men de er ikke de eneste eksemplene på automatisering som feier over den agrariske verden. Robotranker sprer seg inn i alle aspekter av oppdrett, og gir en kald touch selv til den mest intime delen av en bondes dag: melking av kyr.

Maskiner som håndterer melkeprosessen virker som en gevinst for bøndene. Håndmelking er sjelden i dag - tross alt, hvem ønsker å bruke timer om dagen på å klemme kuspener og lide av sjalu blikk fra kalver? — ettersom bønder har brukt maskiner til å pumpe melk i årevis nå. Disse maskinene krevde imidlertid menneskelig innsats; Bønder måtte fortsatt feste kopper til kuas spener, og stå på mens maskinene pumper ut melk.

Med mer moderne teknologi kan melkeprosessen gjøres uten engang den lille mengden menneskelig innsats. Avanserte melkesystemer lar kyrne nærme seg en melkerobot når de føler for det. Kua, som trent av eieren, tråkker opp på en tallerken, som starter melkeprosessen. Maskinen kan kjenne igjen kyrne ved deres merkelapper, og hvis en spesifikk ku ikke har blitt melket innen en viss tidsperiode vil maskinen komme i arbeid, desinfisere juret og feste sugekopper til spenene.

Hele prosessen er praktisk for bøndene, og angivelig behagelig for kyrne. Snakker til BBC, hevder bonden Robert Veich at prosessen gir lykkeligere, mer produktive dyr, og sier «Kyr reagerer på komfort. Den har gått fra 28 liter til 36 liter i gjennomsnitt om dagen, uten en betydelig økning i fôrkostnadene.»

Melkebruk er heller ikke det eneste stedet automatisering har fått tak i. I det siste har det til og med begynt å ramme frukthager – som har vært bemerkelsesverdig motstandsdyktige mot mekanisering gjennom årene. Inntil nylig har fruktplukking klart å motstå automatiseringsmarsjen, hovedsakelig fordi frukt er delikat, og maskiner kan skade avlingene eller trærne som produserer dem. En 2011-utgave av Migration News hevder at det meste av epleplukking fortsatt gjøres for hånd, og at mesteparten av arbeiderens tid ikke brukes plukke eplene, men heller flytte stigene som brukes for å nå dem og dra poser med råvarer tilbake og frem. Som Abundant Robotics-sjef Dan Steere forklart til Digital Trends, "hovedproblemene er at frukt er vanskelig for datamaskiner å se, og det er delikat. Til nå har det ikke vært mulig å identifisere produkter på en pålitelig måte eller automatisere høsting uten å skade produktene.»

Til tross for vanskelighetene, leter ingeniører etter måter å gjøre plukkingen mer effektiv gjennom automatisering. Steeres selskap jobber med en maskin for å plukke epler; et annet selskap, Energid, har bygget en maskin for å plukke appelsiner. Abundant Robotics sin epleplukker bruker et vakuumrør for å suge epler av trær, mens Energids appelsinhøstingsrobot rister frukt fra trær og fanger dem.

Det kanskje mest ikoniske oppdrettskjøretøyet, traktoren, gjennomgår en egen transformasjon. Autonome traktorer, som f.eks Case IHs autonome konseptkjøretøy, kunne erstatte menneskedrevne traktorer på mange gårder. Den elegante maskinen har ikke engang et sete for en sjåfør. Den kan reise langs forhåndsbestemte ruter programmert av operatøren, som kan spore traktorens bevegelser og omdirigere den, om nødvendig, med en nettbrett-app. Traktoren kan til og med registrere hindringer i veien og stoppe for å unngå kollisjoner. Autonome traktorprodusenter som f.eks Nye Nederland til og med hevder at kjøretøyene etter hvert vil være i stand til å reagere på endringer i været.

Autonomt gårdsutstyr er ikke bare en bekvemmelighet, som lar bøndene slappe av og nippe til kaffe mens roboter gjør jobben sin. Det er heller ikke bare et verktøy for å kutte ned på arbeidskostnadene. Disse kjøretøyene kan fjerne menneskekroppens begrensninger fra en tradisjonelt slitsom industri. Maskiner står ikke i fare for skade eller lemlesting, kun skader som kan repareres. Enda mer spennende er at oppdrett kan bli en 24-timers prosess, uavbrutt av mørke eller behov for søvn.

Det tradisjonelle bildet av en bonde som griset mann i en Carhartt-jakke, som griper rattet på John Deere med hardhendte hender, kan snart forsvinne inn i historien. I hans sted, en tilknappet mann som styrer en flåte av maskiner med iPaden fra komforten av et kontor.

Vil det være nok?

Alle disse nye teknologiene er blendende, men spørsmålet gjenstår: Vil de være nok til å opprettholde det økende forbruket? FNs mat- og landbruksorganisasjon anslår det, for å brødfø en voksende og stadig mer urban verdensbefolkning, må den årlige kornproduksjonen øke til 3 milliarder tonn; kjøttproduksjonen må øke til 470 millioner tonn. Det er mye mat.

Det som kompliserer saken er at teknologien alene ikke bestemmer hvor mye mat verden spiser. I kjølvannet av globaliseringen fører handel mat over grenser og hav. Hvete fra Oregon havner på fabrikker i Asia, storfekjøtt fra Japan kan havne på en tallerken i New York. Selv om enkeltland kan øke matproduksjonen gjennom bruk av automatisering, vil tilstanden til internasjonale handelsavtaler avgjøre hvor den går. I en verden der nasjonalistisk konkurranse ser ut til å øke, og handelsavtaler står på skjelvende grunn, kan det globale matvarehandelsnettverket endre seg dramatisk.

Av disse grunnene vil det være naivt å konkludere med at landbruksautomatisering alene vil være nok til å redde oss. Problemet vi står overfor er komplekst og mangefasettert, og ingen individuell teknologisk innovasjon vil sannsynligvis endre skjebnen vår av seg selv. Men til tross for at det ikke vil være noen sølvkuler i denne kampen, bør vi trøste oss med at automatisering bare er én pil i vårt teknologiske kogger. Én banebrytende idé eller kreativ løsning vil ikke være nok, men hundre av dem kan gjøre susen - og hvis det er én ting vi har i overflod som art, er det kreative ideer.

Til syvende og sist kan fortiden være den største kilden til lettelse. Historien viser at teknologi kan bidra til å mate verden, så vi har all grunn til å tro at den kan fortsette å gjøre det i fremtiden.

Redaktørenes anbefalinger

• Optiske illusjoner kan hjelpe oss med å bygge neste generasjon AI
• Kan en superdatamaskin redde oss fra koronaviruset? Vi snakket med mannen som vet
• Topp droneracer tar på seg robotdrone i første menneske-mot-maskin-sammenstøt
• Waiting in the wings: Hvordan droner revolusjonerer kampen mot sult
• Topp Oxford-forsker snakker om risikoen for automatisering ved ansettelse