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杨晗之

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未来农场:田野里的机器人革命

2016-04-07 14:49:49
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文/张军车  



  未来的农场将是什么模样?实际上,对于新型农场而言,精度将是关键。如果在需要之处精确喷洒化学品就可以达到效果,为什么还要把它洒遍整片土地呢?这样每株植物都能得到合适的量,不仅可以减少化学品的使用,还将提高产量。但这谈何容易:大规模农场的面积可达数千公顷,耕种如此大面积土地,唯有自动化机械方能胜任。谁能同时满足精准化和自动化?答案是农业机器人。


轻量级机械

  实际上,现在农业机械已经进步了许多。例如,很多拖拉机能自动转向,使用GPS穿越田野,甚至可以和犁、喷雾器等工具“交谈”。英国哈珀亚当斯大学研究农业技术的布莱克摩尔说:“机械除草工具会告诉拖拉机‘你走得太快了’,或者‘往左移’。这样的系统正在成为常态。”

  农用车辆也开始“交谈”。美国一家机械制造商推出的系统让联合收割机自己叫来拖车,方便驾驶员卸粮。德国一家公司成功研制出配对使用的拖拉机,第一台手动,第二台模仿第一台自动行进。该系统可以有效地将农民的耕作时间减半。

  不过,这些设备是比较初级的农业机器人正在兴起的农业机器人自动化程度更高,而且看起来一点也不像传统农业机械。传统农业机械庞大沉重。它们压实土壤,降低土壤孔隙度,杀死有益生物,这些都不利于庄稼生长。而小巧轻便的农业机器人有潜力解决这些问题。

  布莱克摩尔说:“关键是以精密取代蛮力。如果经过计算,种植一粒种子只需要1立方厘米的土壤,那么培养时我们只需要微小的能量投入,植物也能长得很好。”由于不需要通过深耕修复大型机械对土壤造成的损伤,能源消耗和二氧化碳排放都将大大减少。由于受到的重压减少,土壤可保持其结构和有益生物,并有效地吸收水分,长时间保持肥沃。


关键能力

  农业机器人需要具备三个关键能力:导航,理解所处的环境,帮助农民完成除草、施肥或收割等工作

  导航是最简单的部分,特别是高精度的卫星导航技术的出现,使机器人的定位精度达到2厘米以内。德国奥斯纳布吕克应用科学大学的莱克夏森正在开发农业机器人“鲍尼”。这种四轮田野车使用光谱成像系统,能在土地里识别出作物,然后记录每株作物的位置,并在生长季节里多次返回到每株作物身边,监测其长势。

  接下来,莱克夏森准备给这种机器人安装基于喷墨打印机的精密喷涂系统,可以对准杂草的叶片喷涂除草剂微粒。他估计,这可使化学药品用量减少80%。即使考虑到机器人的初始投资,其成本仍低于传统除草方法。机器人除草能最大限度地减少除草剂误杀其他植物,对生物多样性有明显的好处。机器人还能用火焰枪和激光烧死杂草,这对有机农业非常有益。

  使用肥料的成本也可以降低。实验表明,机器人利用传感器评估一株小麦的含氮量,据此调整施肥量,可节省肥料80%以上,而且不影响产量。化肥用量减少,不受重压的土壤减少水土流失,这意味着更健康的河流和水源。更不用说,这能够减少生产化肥时巨量的碳排放。


蓄势待发


  农业技术专家认为,农业机器人技术已经比较成熟。例如,丹麦研发的机器人已经能在田里找到杂草,并向它们喷洒精确剂量的农药。还有测试表明,机器人灌溉系统可以减少一半用水量。农业机器人商业化的阻碍在于缺乏投资

  不过,日本政府已着手推进农业机器人的商业化。北海道大学的野口伸正在领导一个为期5年耗资800万美元的项目。该项目旨在从种植到收获完全实现自动化,并将重点放在日本的三种主要作物——水稻、小麦和大豆上。该小组计划2014年在农场测试他们研制的农业机器人。野口说,5年内,这种机器人就会上市。

  野口重点关注的是风险,机器人可能会碰撞路人或走失的牲畜。他正在与德国一家公司合作开发配备激光和超声波传感器的机器人。它能监控周围的情况,在即将发生碰撞时紧急刹车。保险杠上的触碰传感器作为一个备用系统,会在机器人即将碰撞时阻止它。

  继日本之后,农业机器人最有可能出现在北美和西欧国家,以及像中国这样快速发展的国家。随着需要养活的人口增长,愿意从事农业的人口却在迅速萎缩。劳动力成本的上升推动了节省劳动力的农业技术的应用。以美国葡萄干产业为例。2000年,葡萄丰收导致价格下降,利润缩水,农场主纷纷想办法降低成本。劳动力是最大的成本之一(平均占美国农场生产费用的42%),于是农场主开始使用一种由酿酒机器改装的收割机。到2007年,加利福尼亚州大约一半的葡萄实现了机械化收割,劳动力从过去的5万人下降到3万人。

  农业机器人对依靠土地为生的工人来说可能不是好消息,对农场主又有怎样的影响呢?研究表明,机器人挤奶可节省奶农每日的挤奶时间,但对提高利润的作用不明显。布莱克摩尔的计算表明,在谷类作物和甜菜种植中应用农业机器人,可降低除草成本约20%,带来显著的经济效益。有机农业的收益可能会更大,因为劳动力的支出超过总成本的50%。一份有关丹麦有机农业的研究表明,如果把机器人和维护成本都考虑进去,农业机器人可减少一半的除草成本。


未来农场

  农业机器人的应用会降低食品价格吗?布莱克摩尔认为有可能。食品价格受到很多因素影响,从天气到超市的价格战,很难说农业机器人能否使水果和蔬菜便宜一些。然而,农业生产能耗的减少应该会降低农产品的价格。

  普遍采用农业机器人可能给超市带来其他变化。英国赫尔大学研究农业的霍洛威说,机器人挤奶可能影响奶牛的遗传学特性。因为农民会选择更适于机器人操作的奶牛,包括乳房形状,甚至配合度等。可以想象,农业机器人还会影响水果或蔬菜品种,因为农民可能更喜欢种植那些机器人容易根据其叶片形状与杂草区分开的植物。

  不可避免的是,机器人将最终改变农场景观。澳大利亚悉尼农业机器人中心的苏卡利说,机器人农业的真正转折点是,人们开始设计便于使用机器人的农场。这可能意味着农场面积缩小,作物呈网格状分布而不是成行种植,果树被修剪成更加容易采摘的形状。这种由机器人照管的几何形状的新型农场目前只是设想,但它终将成为现实。



——选自《科学画报》


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