Zautomatyzowane rolnictwo: czy roboty, drony i sztuczna inteligencja mogą uratować nas przed śmiercią głodową?

Rolnictwo przeszło długą drogę w ciągu ostatniego stulecia. Produkujemy więcej żywności niż kiedykolwiek wcześniej, ale nasz obecny model jest niezrównoważony, a liczba ludności na świecie gwałtownie rośnie zbliża się do poziomu 8 miliardów, nowoczesne metody produkcji żywności będą wymagały radykalnej transformacji, jeśli mają się utrzymać w górę. Na szczęście istnieje szereg nowych technologii, które mogą to umożliwić. W Tej serii, przyjrzymy się niektórym innowacyjnym rozwiązaniom, nad którymi pracują rolnicy, naukowcy i przedsiębiorcy, aby mieć pewność, że nikt nie będzie głodny w naszym coraz bardziej zatłoczonym świecie.

W przełomowej – choć często krytykowanej – pracy Thomasa Malthusa z 1798 r. Esej o zasadzie populacjiekonomista przyjął długoterminową perspektywę historii ludzkości, zauważając, że populacja ludzka, gdy ma pod dostatkiem żywności, rośnie, aż do wyczerpania zasobów, w którym to momencie pojawia się niedobór. „Wydaje się, że głód jest ostatnim, najstraszniejszym zasobem natury” – stwierdził. „Siła populacji jest tak większa od mocy ziemskiej w zapewnianiu pożywienia człowiekowi, że przedwczesna śmierć musi w takiej czy innej formie nawiedzić rasę ludzką”.

Choć przepowiednie Malthusa były poetyckie, nie spełniły się. Zamiast tego przyszły rewolucje w przemyśle i rolnictwie, a wraz z nimi znaczny wzrost produkcji i handlu żywnością. Optymiści zwyciężyli, a Malthus został patronem wariatów ekonomistów, obdartego kaznodziei na ulicach historii.

Chociaż współcześni ekonomiści i utopiści technologiczni traktują Malthusa z pogardą, jego argumenty były rozsądne, biorąc pod uwagę ówczesne dowody. Być może nowe technologie, które umożliwiły ogromny wzrost liczby ludności w ciągu ostatnich kilku stuleci, nie przekreśliły możliwości katastrofy maltuzjańskiej, a jedynie ją opóźniły? Ludzkość była w stanie rozrosnąć się daleko, daleko poza to, co Malthus mógł sobie wyobrazić – przybliżone szacunki mówią o światowej populacji w 1800 r. na poziomie 890–980 milionów ludzi, podczas gdy dziś liczba ludności na świecie przekracza 7,4 miliarda — ale jak długo może trwać ta tendencja? Kontynuować?

ONZ oczekuje liczba ludności na świecie osiągnie 8,5 miliarda w roku 2030 i 9,7 miliarda w roku 2050. Duża część światowej populacji koncentruje się w Chinach i Indiach; każdy z tych krajów liczy obecnie ponad miliard mieszkańców, a według prognoz do 2022 r. populacja Indii przewyższy liczbę Chin.

Nowe technologie i techniki rolnicze zapobiegły gwałtownemu głodowi, który przepowiedział Malthus. Chociaż kiedyś ludzie musieli ręcznie sadzić nasiona na chybił trafił, siewniki umożliwiły rolnikom wysiew nasion w długie, jednolite linie. Dzięki traktorom napędzanym parą rolnicy mogli orać szerokie połacie ziemi bez potrzeby używania powolnych wołów. Młocarnie skracają wiele godzin poświęconych na ręczne młócenie.

W miarę jak liczba ludności na świecie osiąga coraz bardziej oszałamiający poziom, a wzrost gospodarczy pozwala na większą konsumpcję, świat może potrzebować kolejnej rewolucji w rolnictwie, aby się utrzymać.

Jedną z odpowiedzi na ten problem może być automatyzacja. Chociaż w ciągu ostatnich 200 lat rolnictwo stawało się coraz bardziej zautomatyzowane, proces ten jedynie przyspiesza. Nowe technologie, a w szczególności popędy, pozwalają rolnikom na poprawę efektywności upraw i produkcji zwierzęcej, a także szybką neutralizację zagrożeń, takich jak choroby czy susza.

Drony mogą być pracownikami rolnymi przyszłości

„To słowo wiąże się z pewnym piętnem” – mówi o tym dr Lav Khot, profesor na Washington State University i specjalista w dziedzinie zarządzania uprawami w konkretnym miejscu. termin „dron”. Wielu zwolenników komercyjnego wykorzystania dronów woli określenia takie jak „bezzałogowe systemy powietrzne” – dłuższe określenie, w którym brakuje werbalnego określenia. dziurkacz. Nietrudno zrozumieć dlaczego: dla wielu słowo „dron” kojarzy się ze sprzętem wojskowym, latającymi maszynami zrzucającymi bomby lub szpiegującymi cele z góry.

Naukowcy tacy jak Khot eksperymentują z różnymi sposobami wykorzystania dronów w rolnictwie, przekuwając te miecze na lemiesze. Dla hodowców jednym z najbardziej ekscytujących zastosowań dronów jest obrazowanie upraw. Korzystając z dronów wyposażonych w czujniki wielospektralne, rolnicy badają swoją ziemię, robiąc zdjęcia, które ujawniają m.in. żyzność określonych płatów gleby, ilość wody potrzebną uprawom.

W przeszłości rolnicy musieli polegać na obrazach satelitarnych, aby uzyskać tak szczegółowe mapy swoich gruntów, co było dość czasochłonnym procesem. Khot powiedział Digital Trends, że zdjęcia satelitarne często trwają 14 dni, a problemy mogą wynikać z zachmurzenia lub innych czynników. Dzięki dronom „hipotetycznie możesz je zdobyć, kiedy chcesz”.

Ta szybka realizacja jest nie tylko wygodna; w przypadkach, gdy rośliny są dotknięte chorobami lub szkodnikami, może to zadecydować o uratowaniu zbiorów lub patrzeniu na ich śmierć. Rozmawiam z GuardianemSalman Siddiqui, badacz z Międzynarodowego Instytutu Gospodarki Wodnej, wyjaśnia, w jaki sposób zdjęcia z dronów można wykorzystać do wykrywania chorób i innych czynników stresogennych u roślin. „Aktywność fotosyntezy spada, co wpływa na chlorofil” – powiedział – a obrazowanie wielospektralne mogą wykryć te zmiany wcześnie, zanim problemy staną się tak drastyczne, że pojawią się oznaki widoczne dla ludzi Widzieć.

Dzieje się tak, ponieważ chlorofil, cząsteczka nadająca liściom zielony odcień, przyciąga światło widzialne, odbijając jednocześnie dużą ilość światła podczerwonego. Kiedy roślina jest niezdrowa, będzie odbijać więcej padającego na nią światła widzialnego i mniej fal podczerwonych. Obrazowanie w podczerwieni może pokazać rolnikom, czy ich rośliny odbijają nienormalną ilość światła, co może oznaczać problemy.

Rolnictwo, poznaj automatyzację

Jeden z głównych projektów Khota skupia się obecnie na nawadnianiu, eksperymentując z różnymi rozwiązaniami technik nawadniania i ilości wody oraz wykorzystywania zdjęć z dronów do śledzenia późniejszego stanu zdrowia rośliny. Weźmy na przykład nawadnianie podziemne. Jest to proces polegający na umieszczeniu pod powierzchnią gleby rurek odprowadzających wodę, dostarczających wodę bezpośrednio do korzeni roślin. Khot i jego zespół korygują położenie rur, testując je na głębokości 15–30 centymetrów pod powierzchnią winorośli.

W ramach swoich badań dostosowują ilość zużywanej wody i wykorzystują obrazowanie z dronów do mapowania upraw, testowanie, „aby sprawdzić, czy uda nam się osiągnąć 60% czy 30%, a mimo to roślina będzie mogła rosnąć i wytwarzać tak dobre plony, jak dawać."

Khot współpracuje również z nawadnianiem nad powierzchnią, testując zraszacze na małej wysokości (nie więcej niż stopę nad poziomem morza). powierzchni) i przesunięcie zraszaczy bliżej okapu, co powinno ograniczyć parowanie powstające podczas przepływu wody powietrze.

Badania Khota mogą nabrać nowego znaczenia w miarę postępu zmian klimatycznych. „W Waszyngtonie w 2015 r. odnotowaliśmy najwyższą temperaturę od kilku lat” – powiedział Khot, co może być wynikiem zmiany klimatu. Aby przygotować się na cieplejsze lata, Khot i jego współpracownicy testują różne odmiany fasoli pinto, aby zobaczyć, jak reagują na różne ilości wody. Powinno to pomóc im odkryć, która fasola będzie dla rolników lepszą inwestycją, jeśli w przyszłości temperatury wzrosną.

Nie wszystkie zastosowania dronów obejmują obrazowanie. Jeden z projektów opisanych przez Khota jest uroczo prosty. Chcąc poeksperymentować z większym modelem UAS, Yamaha RMAX — bezzałogowym helikopterem, który stał się popularny w Japonia na opryski — Khot i jego zespół wpadli na sprytne rozwiązanie problemu, który nękał Waszyngton rolnicy.

Wiśnie są jedną z najważniejszych upraw w Waszyngtonie i borykają się z niepokojąco powszechnym szkodnikiem: deszczem. „Dojrzałe owoce wiśni mają wysoką zawartość cukru, a skórka staje się bardzo cienka” – wyjaśnia Khot. Kiedy woda deszczowa spadnie na sady wiśniowe, może osiąść na baldachimie, a wiśnie o cienkiej skórce ją wchłoną. Gdy wiśnie wchłaniają wilgoć, zaczynają puchnąć i pękać.

Hodowcy wiśni mogą próbować zminimalizować szkody spowodowane opadami deszczu, szybko zbierając wiśnie lub potrząsając gałęziami, aby spuścić część wody. Khot przeleciał RMAXem na małych wysokościach – od 35 do 50 stóp – nad sadami, aby rozproszyć wodę z koron drzew. Jest to metoda bardziej wydajna niż ręczne potrząsanie wiśniami ręcznie lub za pomocą wentylatora – i znacznie tańsza niż wynajęcie pilota helikoptera, który by to zrobił – ale nie jest niezawodna. „Nie wszystkie sady w stanie Waszyngton są płaskie; mamy pochyłość i co roku zdarza się na niej kilka wypadków” – powiedział Khot.

Coś więcej niż tylko latające roboty

Drony wydają się być obiecującym narzędziem dla rolników w przyszłości, ale nie są to jedyne przykłady automatyzacji, która zawładnie światem rolniczym. Robotyczne macki rozprzestrzeniają się na każdy aspekt rolnictwa, wprowadzając chłodny akcent nawet w najbardziej intymną część dnia rolnika: dojenie krów.

Maszyny obsługujące proces doju wydają się być wygraną dla rolników. Dojenie ręczne jest dziś rzadkością — w końcu kto chciałby spędzać godziny dziennie na ściskaniu krowich sutków i znoszeniu zazdrosnych spojrzeń cieląt? — ponieważ rolnicy od lat używają maszyn do odciągania mleka. Maszyny te wymagały jednak wkładu człowieka; rolnicy nadal musieli przyczepiać kubki do sutków krów i czekać, aż maszyny będą wypompowywać mleko.

Dzięki bardziej nowoczesnej technologii proces doju można przeprowadzić nawet bez minimalnego wkładu człowieka. Zaawansowane systemy udoju umożliwiają krowom podejście do robota udojowego, kiedy mają na to ochotę. Krowa wyszkolona przez właściciela wchodzi na talerz, co inicjuje proces doju. Maszyna może rozpoznać krowy po ich etykietach oraz określić, czy dana krowa nie została dojona w określonym czasie po pewnym czasie maszyna przystąpi do pracy, dezynfekując wymię i mocując przyssawki do strzyków.

Cały proces jest wygodny dla rolników i rzekomo wygodny dla krów. Rozmawiam z BBC, rolnik Robert Veich twierdzi, że dzięki temu procesowi zwierzęta są szczęśliwsze i bardziej produktywne, mówiąc: „Krowy reagują na komfort. Średnie zużycie dziennie wzrosło z 28 litrów do 36 litrów, bez znaczącego wzrostu kosztów paszy”.

Gospodarstwa mleczne nie są jedynym miejscem, w którym zapanowała automatyzacja. Ostatnio zaczął atakować nawet sady owocowe, które przez lata były wyjątkowo odporne na mechanizację. Do niedawna zbieranie owoców udawało się wytrzymać postęp automatyzacji, głównie dlatego, że owoce są delikatne, a maszyny mogły uszkodzić plony lub drzewa, które je produkują. Wydanie „Wiadomości o migracji” z 2011 r twierdzi, że większość czasu zbierania jabłek nadal odbywa się ręcznie i że większość czasu robotnika nie jest spędzana zbieranie jabłek, ale raczej przesuwanie drabin, którymi się do nich docierało, i przewożenie worków z produktami z powrotem naprzód. Jako dyrektor generalny Abundant Robotics, Dan Steere wyjaśnione w Digital Trends„Głównym problemem jest to, że komputery słabo dostrzegają owoce i są delikatne. Do tej pory nie była możliwa niezawodna identyfikacja produktów ani automatyzacja zbioru bez uszkadzania produktów”.

Pomimo tych trudności inżynierowie szukają sposobów na usprawnienie kompletacji poprzez automatyzację. Firma Steere pracuje nad maszyną do zbioru jabłek; inna firma, Energid, zbudował maszynę do zbierania pomarańczy. Zbieracz jabłek firmy Abundant Robotics wykorzystuje rurę próżniową do odsysania jabłek z drzew, podczas gdy robot firmy Energid do zbioru pomarańczy strząsa owoce z drzew i łapie je.

Być może najbardziej kultowy pojazd rolniczy, traktor, przechodzi własną transformację. Ciągniki autonomiczne, takie jak Autonomiczny pojazd koncepcyjny Case IHmogłyby w wielu gospodarstwach zastąpić ciągniki obsługiwane przez człowieka. Elegancka maszyna nie ma nawet siedzenia dla kierowcy. Może podróżować po ustalonych trasach zaprogramowanych przez operatora, który może śledzić ruchy ciągnika i w razie potrzeby wyznaczać jego trasę za pomocą aplikacji na tablet. Ciągnik potrafi nawet wykryć przeszkody na swojej drodze i zatrzymuje się, aby uniknąć kolizji. Producenci ciągników autonomicznych, tacy jak Nowa Holandia twierdzą nawet, że pojazdy w końcu będą mogły reagować na zmiany pogody.

Autonomiczny sprzęt rolniczy to nie tylko wygoda, pozwalająca rolnikom odpocząć i popijać kawę, podczas gdy roboty wykonują swoją pracę. Nie jest to także jedynie narzędzie służące obniżeniu kosztów pracy. Pojazdy te mogłyby usunąć ograniczenia ludzkiego ciała z tradycyjnie wyczerpującej branży. Maszyny nie są narażone na ryzyko obrażeń lub okaleczeń, a jedynie uszkodzenia, które można naprawić. Jeszcze bardziej intrygujące jest to, że rolnictwo może stać się procesem trwającym 24 godziny na dobę, nieprzerwanym przez ciemność i potrzebę snu.

Tradycyjny wizerunek rolnika jako siwego mężczyzny w kurtce Carhartta, trzymającego kierownicę swojego Johna Deere w stwardniałych dłoniach, może wkrótce przejść do historii. Na jego miejscu zapięty mężczyzna zarządzający flotą maszyn za pomocą iPada w zaciszu biura.

Czy to wystarczy?

Wszystkie te nowe technologie są olśniewające, ale pozostaje pytanie: czy wystarczą, aby utrzymać rosnącą paszczę konsumpcji? Organizacja Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa szacuje, żeaby wyżywić rosnącą i coraz bardziej zurbanizowaną populację świata, roczna produkcja zbóż będzie musiała wzrosnąć do 3 miliardów ton metrycznych; produkcja mięsa będzie musiała wzrosnąć do 470 milionów ton metrycznych. To dużo jedzenia.

Sprawę komplikuje fakt, że sama technologia nie decyduje o tym, ile żywności zjada świat. W obliczu globalizacji handel przenosi żywność przez granice i oceany. Pszenica z Oregonu trafia do młynów w Azji, wołowina z Japonii może trafić na talerz w Nowym Jorku. Nawet jeśli poszczególne kraje będą w stanie zwiększyć produkcję żywności poprzez zastosowanie automatyzacji, stan międzynarodowych umów handlowych zadecyduje, dokąd to zmierza. W świecie, w którym nacjonalistyczna konkurencja wydaje się dominować, a umowy handlowe stoją na niepewnym gruncie, globalna sieć handlu żywnością może się radykalnie zmienić.

Z tych powodów naiwnością byłoby sądzić, że sama automatyzacja rolnictwa wystarczy, aby nas uratować. Problem, przed którym stoimy, jest złożony i wieloaspektowy i żadna pojedyncza innowacja technologiczna nie jest w stanie sama zmienić naszego losu. Ale mimo że w tej walce nie będzie złotego środka, pocieszenia powinniśmy szukać w tym, że automatyzacja to tylko jedna strzała w naszym technologicznym kołczanie. Jeden przełomowy pomysł lub kreatywne rozwiązanie nie wystarczy, ale setka może wystarczyć – a jeśli jest jedna rzecz, której jako gatunek mamy pod dostatkiem, to są to kreatywne pomysły.

Ostatecznie przeszłość może być największym źródłem ulgi. Historia pokazuje, że technologia może pomóc wyżywić świat, mamy więc podstawy wierzyć, że będzie mogła to robić nadal w przyszłości.

Zalecenia redaktorów

• Złudzenia optyczne mogą pomóc nam w zbudowaniu sztucznej inteligencji nowej generacji
• Czy superkomputer może nas uratować przed koronawirusem? Rozmawialiśmy z człowiekiem, który wie
• Najlepszy kierowca dronów mierzy się z robotem-dronem w pierwszym starciu człowieka z maszyną
• Czekanie na skrzydłach: jak drony rewolucjonizują walkę z głodem
• Czołowy badacz z Oksfordu mówi o ryzyku automatyzacji zatrudnienia