Automatiserat jordbruk: Kan robotar, drönare och AI rädda oss från svält?

Jordbruket har kommit långt under det senaste århundradet. Vi producerar mer mat än någonsin tidigare – men vår nuvarande modell är ohållbar, och som världens befolkning snabbt närmar sig 8 miljarder, kommer moderna livsmedelsproduktionsmetoder att behöva en radikal förändring om de ska behållas upp. Men som tur är finns det en rad nya tekniker som kan göra det möjligt. I denna serie, kommer vi att utforska några av de innovativa nya lösningarna som bönder, forskare och entreprenörer arbetar med för att se till att ingen blir hungrig i vår allt mer trånga värld.

I Thomas Malthus’ framstående – även om det ofta kritiserades – verk från 1798, En uppsats om principen om befolkning, tog ekonomen en lång syn på mänsklighetens historia och observerade att mänskliga befolkningar, när de har ett överflöd av mat, växer tills de anstränger sina resurser, då bristen börjar. "Hungersnöd verkar vara den sista, den mest fruktansvärda resursen i naturen," sa han. "Befolkningens makt är så överlägsen kraften i jorden att producera näring åt människan, att för tidig död måste i någon form besöka människosläktet."

Hur poetisk Malthus förutsägelse än var så gick det inte i uppfyllelse. Istället kom revolutioner inom industri och jordbruk och med dem en rejäl ökning av produktionen och handeln med livsmedel. Optimisterna vann, medan Malthus blev skyddshelgon för knasiga ekonomer, en trasig predikant på historiens gator.

Även om moderna ekonomer och tekniska utopister ser på Malthus med hån, var hans argument rimliga med tanke på bevisen på den tiden. Kanske har den nya tekniken som möjliggjort de senaste århundradenas enorma befolkningstillväxt inte avslutat möjligheten till en malthusiansk katastrof, utan bara försenat den? Mänskligheten har kunnat växa långt, långt utöver vad Malthus kunde ha föreställt sig - grova uppskattningar gör att världens befolkning år 1800 på 890-980 miljoner människor, medan världens befolkning idag överstiger 7,4 miljarder — men hur länge kan denna trend Fortsätta?

FN förväntar sig världens befolkning att nå 8,5 miljarder år 2030 och 9,7 miljarder år 2050. Mycket av världens befolkning är koncentrerad till Kina och Indien; vart och ett av dessa länder har för närvarande mer än en miljard människor, med befolkningen i Indien som beräknas överträffa Kinas 2022.

Ny jordbruksteknik och -teknik har avvärjt den skarpa hungersnöd som Malthus förutspått. Även om en gång människor var tvungna att plantera frön på måfå för hand, gjorde såmaskiner det möjligt för bönder att så dem i långa, enhetliga rader. Med ångdrivna traktorer kunde bönderna plöja breda strängar av mark, utan att behöva ha tröga oxar. Tröskmaskiner minskade de många timmar som ägnats åt att tröska för hand.

Med världens befolkning som klättrar till allt mer häpnadsväckande höjder, och med ekonomisk tillväxt som tillåter större konsumtion, kan världen behöva ytterligare en jordbruksrevolution för att upprätthålla sig själv.

Ett svar på problemet kan ligga i automatisering. Medan jordbruket har blivit allt mer automatiserat under de senaste 200 åren, accelererar processen bara. Ny teknik, och i synnerhet mängder, gör det möjligt för jordbrukare att förbättra effektiviteten i sina grödor och boskapsproduktion, samt snabbt neutralisera hot som sjukdomar eller torka.

Drönare kan vara framtidens lantarbetare

"Det finns ett visst stigma för det ordet", säger Dr. Lav Khot, professor vid Washington State University och specialist på platsspecifik odling. termen "drönare". Många förespråkare för kommersiell användning av drönare föredrar termer som "obemannade flygsystem", en längre fras som saknar det verbala stansa. Det är inte svårt att se varför: För många framkallar ordet "drönare" militär hårdvara, flygande maskiner som släpper bomber eller spionerar på mål från ovan.

Forskare som Khot experimenterar med olika sätt som drönare kan användas i jordbruket och slår dessa svärd till plogbillar. För odlare är en av de mest spännande användningsområdena för drönare avbildning av grödor. Med hjälp av drönare utrustade med multispektrala sensorer undersöker bönder sin mark, tar bilder som avslöjar saker som fertiliteten hos specifika jordfläckar, hur mycket vatten grödorna behöver och mer.

Tidigare var bönder tvungna att förlita sig på satellitbilder för att få så detaljerade kartor över sin mark, vilket var en ganska tidskrävande process. Satellitbilder involverar ofta 14 dagars intervall, sa Khot till Digital Trends, och problem kan uppstå på grund av molntäcke eller andra faktorer. Med drönare "kan du få det när du vill, hypotetiskt."

Den snabba vändningen är inte bara bekväm; i de fall där växter drabbas av sjukdomar eller skadedjur kan det vara skillnaden mellan att spara en skörd eller att se den dö. Pratar med The Guardian, Salman Siddiqui, en forskare från International Water Management Institute, förklarar hur drönarbilder kan användas för att upptäcka sjukdomar och andra stressfaktorer i växter. "Fotosyntetisk aktivitet minskar, och det påverkar klorofyllet," sa han - och multispektral avbildning kan upptäcka dessa förändringar tidigt, innan problemen blir så drastiska att de ger tecken på att människor kan ser.

Detta beror på att klorofyll, molekylen som ger bladen deras gröna nyans, drar in synligt ljus samtidigt som det reflekterar en stor mängd infrarött ljus. När en växt är ohälsosam kommer den att reflektera mer av det synliga ljuset som träffar den och reflektera färre infraröda vågor. Infraröd avbildning kan visa bönder om deras växter reflekterar onormala mängder ljus, vilket leder till problem.

Jordbruk, möt automation

Ett av Khots huvudprojekt för tillfället fokuserar på bevattning, experimenterande med olika bevattningstekniker och mängder vatten, och med hjälp av drönarebilder för att spåra den efterföljande hälsan hos växter. Ta till exempel bevattning under ytan. Detta är en process där rör som droppar vatten placeras under markytan och levererar vatten direkt till rötterna på grödor. Khot och hans team justerar platsen för rören och testar dem på 15 eller 30 centimeter under vinrankornas yta.

De justerar mängden vatten som används som en del av sin forskning och använder drönarbilder för att kartlägga grödorna, testa "för att se om vi kan gå till 60 procent eller 30 procent, och fortfarande kan växten växa och producera lika bra avkastning."

Khot arbetar också med bevattning ovanför ytan och testar sprinkler baserade på låg höjd (högst en fot ovanför yta) och flytta sprinklerna närmare kapellet, vilket bör minska avdunstning som uppstår när vattnet rör sig genom luften.

Khots forskning kan få ny betydelse när klimatförändringarna utvecklas. "I Washington 2015 registrerade vi den högsta temperaturen på flera år," sa Khot, en utveckling som kan vara resultatet av klimatförändringar. För att förbereda sig för varmare år testar Khot och hans forskarkollegor olika varianter av pintobönor för att se hur de reagerar på olika mängder vatten. Detta borde hjälpa dem att upptäcka vilka bönor som kommer att vara en bättre investering för bönder om temperaturen stiger i framtiden.

Inte alla användningsområden för drönare involverar avbildning. Ett projekt Khot beskriver är förtjusande enkelt. Vill experimentera med en större modell av UAS, en Yamaha RMAX — en obemannad helikopter som har varit populär i Japan för sprutning - Khot och hans team kom på en smart lösning på ett problem som har plågat Washington bönder.

Körsbär är en av Washingtons främsta grödor, och de står inför en oroande vanlig skadegörare: regn. "När körsbärsfrukten är mogen har den hög sockerhalt och skalet blir väldigt tunt", förklarar Khot. När regnvatten faller på körsbärsodlingarna kan det sitta på baldakinen, och de tunnskalade körsbären kommer att absorbera det. När körsbären dricker upp fukt börjar de svälla och delas.

Körsbärsodlare kan försöka minimera skadorna från nederbörd genom att skörda körsbär snabbt eller skaka grenarna för att få bort en del av vattnet. Khot flög en RMAX på låg höjd - 35 till 50 fot - över fruktträdgårdar för att skingra vatten från baldakinerna. Det är en effektivare metod än att manuellt skaka körsbärsträd för hand eller med fläkt - och mycket billigare än att anlita en helikopterpilot för att komma och göra det - men inte en idiotsäker sådan. "Odlingarna här i Washington State, inte alla är platta; vi har sluttande, och så varje år händer det några olyckor med det, säger Khot.

Mer än bara flygande robotar

Drönare ser ut att vara ett lovande verktyg för bönder framöver, men de är inte de enda exemplen på automatisering som sveper över den agrara världen. Robotrankor sprider sig i alla aspekter av jordbruket och ger en kall touch även till den mest intima delen av bondens dag: mjölkning av kor.

Maskiner som hanterar mjölkningsprocessen verkar vara en vinst för bönderna. Handmjölkning är sällsynt idag - trots allt, vem vill tillbringa timmar om dagen med att klämma på kospenar och drabbas av kalvars svartsjuka blickar? — eftersom bönder har använt maskiner för att pumpa mjölk i flera år nu. Dessa maskiner krävde dock mänsklig insats; bönderna var fortfarande tvungna att fästa koppar på kons spenar och stå vid sidan av när maskinerna pumpar ut mjölk.

Med modernare teknik kan mjölkningsprocessen göras utan ens den lilla mängd mänsklig insats. Avancerade mjölkningssystem gör att korna kan närma sig en mjölkningsrobot när de känner för det. Kon, som tränats av sin ägare, kliver upp på en tallrik, vilket initierar mjölkningsprocessen. Maskinen kan känna igen korna på deras taggar, och om en specifik ko inte har mjölkats inom en viss under en tid kommer maskinen att börja arbeta, desinficera juvret och fästa sugkoppar på spenarna.

Hela processen är bekväm för jordbrukare och påstås bekväm för korna. Pratar med BBC, hävdar lantbrukaren Robert Veich att processen ger gladare, mer produktiva djur, och säger "Kossor svarar på tröst. Den har gått från 28 liter till 36 liter i snitt om dagen, utan en betydande ökning av foderkostnaden.”

Mjölkgårdar är inte heller den enda platsen där automatisering har fått fäste. På senare tid har det till och med börjat drabba fruktodlingar – som har varit anmärkningsvärt motståndskraftiga mot mekanisering genom åren. Fram till nyligen har fruktplockningen klarat av automatiseringens marsch, till stor del för att frukter är känsliga och maskiner kan skada grödorna eller träden som producerar dem. Ett nummer 2011 av Migration News hävdar att det mesta äppelplockningen fortfarande sker för hand och att majoriteten av arbetarens tid inte går åt plocka äpplena, utan snarare flytta stegarna som används för att nå dem och dra tillbaka påsar med produkter och vidare. Som Abundant Robotics vd Dan Steere förklarat för Digital Trends, "de största problemen är att frukt är svårt för datorer att se, och det är känsligt. Hittills har det inte varit möjligt att antingen på ett tillförlitligt sätt identifiera produkter eller automatisera skörden utan att skada produkten."

Trots svårigheterna letar ingenjörer efter sätt att göra plockningen mer effektiv genom automatisering. Steeres företag arbetar på en maskin för att plocka äpplen; ett annat företag, Energid, har byggt en maskin för att plocka apelsiner. Abundant Robotics äppelplockare använder ett vakuumrör för att suga äpplen från träd, medan Energids apelsinskörningsrobot skakar frukt från träd och fångar upp dem.

Det kanske mest ikoniska jordbruksfordonet, traktorn, genomgår en egen förvandling. Autonoma traktorer, som t.ex Case IH: s autonoma konceptfordon, skulle kunna ersätta mänskliga traktorer på många gårdar. Den eleganta maskinen har inte ens ett säte för en förare. Den kan färdas längs förutbestämda rutter programmerade av dess operatör, som kan spåra traktorns rörelser och omdirigera den, om det behövs, med en surfplatta-app. Traktorn kan till och med känna av hinder i sin väg och stannar för att undvika kollisioner. Autonoma traktortillverkare som t.ex Nya Holland till och med hävda att fordonen så småningom kommer att kunna reagera på förändringar i vädret.

Autonom lantbruksutrustning är inte bara en bekvämlighet, som gör att bönder kan luta sig tillbaka och smutta på kaffe medan robotar gör sitt jobb. Det är inte heller bara ett verktyg för att skära ner på arbetskostnaderna. Dessa fordon skulle kunna ta bort människokroppens begränsningar från en traditionellt ansträngande industri. Maskiner riskerar inte att skadas eller skadas, endast skador som kan repareras. Ännu mer spännande är att jordbruk kan bli en 24-timmarsprocess, oavbruten av mörker eller sömnbehov.

Den traditionella bilden av en bonde som grised man i en Carhartt-jacka, som greppar ratten på sin John Deere med förhårda händer, kan snart tona in i historien. I hans ställe, en tillknäppt man som sköter en maskinpark med sin iPad från bekvämligheten av ett kontor.

Kommer det att räcka?

Alla dessa nya tekniker är bländande, men frågan kvarstår: Kommer de att räcka för att upprätthålla den växande konsumtionen? FN: s livsmedels- och jordbruksorganisation uppskattar att, för att föda en växande och alltmer urban världsbefolkning kommer den årliga spannmålsproduktionen att behöva öka till 3 miljarder ton; köttproduktionen kommer att behöva öka till 470 miljoner ton. Det är mycket mat.

Det som komplicerar saken är att tekniken ensam inte avgör hur mycket mat världen äter. I globaliseringens spår för handeln mat över gränser och hav. Vete från Oregon hamnar på kvarnar i Asien, nötkött från Japan kan hamna på en tallrik i New York. Även om enskilda länder kan öka livsmedelsproduktionen genom användning av automatisering, kommer läget för internationella handelsavtal att avgöra vart det går. I en värld där den nationalistiska konkurrensen tycks öka och handelsavtalen står på mer skakig mark, kan det globala nätverket för handel med livsmedel förändras dramatiskt.

Av dessa skäl skulle det vara naivt att dra slutsatsen att enbart jordbruksautomation kommer att räcka för att rädda oss. Problemet vi står inför är komplext och mångfacetterat, och ingen enskild teknisk innovation kommer sannolikt att förändra vårt öde av sig själv. Men trots att det inte kommer att finnas några silverkulor i denna kamp, ​​bör vi trösta oss med att automatisering bara är en pil i vårt tekniska koger. En banbrytande idé eller kreativ lösning kommer inte att räcka, men hundra av dem kan göra susen - och om det finns något vi har i överflöd som art så är det kreativa idéer.

I slutändan kan det förflutna vara den största källan till lättnad. Historien visar att teknik kan hjälpa världen att föda, så vi har all anledning att tro att den kan fortsätta att göra det i framtiden.

Redaktörens rekommendationer

• Optiska illusioner kan hjälpa oss att bygga nästa generations AI
• Kan en superdator rädda oss från coronaviruset? Vi pratade med mannen som vet
• Bästa drönarföraren tar sig an robotdrönaren i den första sammandrabbningen mellan människa och maskin
• Waiting in the wings: Hur drönare revolutionerar kampen mot hunger
• Top Oxford-forskare talar om risken för automatisering på anställning