Иногда создается впечатление, что современное сельское хозяйство одновременно остается одной из самых косных отраслей экономики – и при этом каким-то непостижимым образом прорывает рубежи новых технологий. Ручной тяжелый труд соседствует в растениеводстве и животноводстве с электроникой и искусственным интеллектом.
Давайте разберемся, какие процессы в мировой аграрной сфере роботизированы уже сегодня, а какие будут роботизированы в ближайшие годы.
Почему роботы?
Робототехника постепенно становится незаменимой частью всех промышленных областей. Именно роботы могут заполнить на предприятии кадровый пробел, усилить точность и экономичность технологий.
Сельское хозяйство давно вышло за рамки "карманного" производства, и к робототехнике для решения огромного числа задач уже сегодня обращаются сами аграрии. В России даже проходит специальный конкурс IT-разработок в этой сфере, так что сельское хозяйство не просто стоит на пороге новой научно-технической революции — она уже началась.
Пока что сельскохозяйственных роботов активнее всего разрабатывают и используют в Японии, Австралии и США, но несколько лет назад пришли они и в Россию. В первую очередь роботизируют сити-фермы и промышленные теплицы; но действуют роботы и на полевых культурах, и в животноводстве. Какие же процессы в сельскохозяйственной сфере можно роботизировать?
Растениеводство
В наиболее крупных масштабах роботизировано сегодня, пожалуй, мировое растениеводство. Работа с полями, садами и теплицами во многом сводится к взаимодействию с неподвижными объектами, что облегчает разработчикам задачу. Здесь принципы действия роботов можно разделить на три условные группы:
- Дроны и компьютерное зрение (мониторинг вредителей и болезней, стадий зрелости овощей, фруктов и ягод, фаз вегетации и физиологического состояния полевых культур)
- Манипуляторы (сбор урожая овощей, фруктов и ягод, посев, прополка, пикирование, подрезка, сборка почвенных образцов)
- Автономная сельхозтехника (обработка почвы, посев, сбор урожая, опрыскивание, обработка ультрафиолетом, орошение, погрузчики)
Автономная сельхозтехника
Многие роботы для растениеводства представляют собой навесное оборудование для трактора, но производят и полностью автономные (и полуавтономные) трактора и комбайны. Например, отчет IDTechEx о сельскохозяйственных роботах показал, что в 2016 году было продано более 300 тысяч тракторов с автономными функциями; John Deere продолжает разрабатывать эту тему: год назад компания выпустила очередную автономную модель.
Автономный точный посев
Автономный точный посев объединяет робототехнику с геокартированием. Робот картирует поле согласно почвенным свойствам (качество, плотность и другие характеристики) в каждой точке заданного пространства и составляет карту урожайности. Как распорядиться данными, решает фермер, как правило, их используют для дифференцированного внесения удобрений и дифференцированного посева. Трактор с сеялкой точного высева размещает семена соответственно карте в нужных местах и на определенной глубине, чтобы каждое растение получило наилучшие шансы на рост и развитие.
Мониторинг и анализ урожая
Мониторинг огромных полей сельскохозяйственных культур — большая работа. Новые датчики и технологии геокартирования позволяют фермерам получать гораздо более высокий уровень данных о своих культурах, чем раньше. Наземные роботы и дроны позволяют собирать эти данные автономно.
Знать состояние растений и состояние почвы так же важно, как и поливать их. Но обычный анализ почвы или растений стоит дорого и занимает много дней, поскольку фермер должен не только собрать образцы, но и отправить их в лабораторию, и подождать результатов. Этот процесс упрощается благодаря роботам с технологией LiDAR, которые собирают данные о здоровье растений, их физиологии и реакции на стресс — и на их основе дают фермеру рекомендации по работе на поле.
Дроны
Дроны в сельском хозяйстве не новость. Уже в 1980-х годах дроны использовались для аэрофотосъемки полей. Когда же дебютировали современные дроны с искусственным интеллектом, первая полноценно внедрившая их отрасль экономики была именно сельское хозяйство. Сегодня дроны используют для получения 3D-изображений, построения карт и наблюдения за посевами.Компании-производители дронов, как правило, предлагают аграриям комплекс: робот + программное обеспечение для анализа. Фермер привозит дрон на поле, запускает программное обеспечение через планшет или смартфон и смотрит собранные данные в режиме реального времени.
Мульти-талантливые роботы для сбора урожая
Самая коронная идея роботов – заменять людей на повторяющихся рутинных задачах. Именно это они и делают при сборе урожая: избавляют человека от монотонной работы. И если сеять и собирать основные продовольственные культуры, такие как пшеница и ячмень, могут простые роботы, то ля сбора фруктов, ягод и овощей, нужны мультифункциональные.
Собирать кукурузу, ячмень и пшеницу довольно просто. Это можно сделать с помощью небольшой переделки комбайна, который, как трактор, становится автономным. Однако мягкие фрукты собрать труднее: они требуют ловкости рук, поэтому для этой задачи используют роботов с манипуляторами и машинным зрением. Робот «видит» окружающее пространство при помощи камер, сенсоров и датчиков, которые расположены на манипуляторе или вне его, распознает нужные объекты и бережно собирает их в контейнер. Сегодня на поток поставлена роботизированная уборка яблок, винограда, томатов и сладкого перца, но собирают роботы с манипуляторами и машинным зрением и другие фрукты, и даже ягоды.
Эти роботы обычно оснащаются датчиками обнаружения. Однако традиционные датчики дают очень ограниченную информацию, тогда как системы с функциями обработки изображений предлагают гораздо больше преимуществ и способны получать и анализировать значительно больше данных.
Роботы с технологиями машинного зрения анализируют полученные от камеры изображения, что позволяет им существенно эффективнее принимать решения – в частности, они могут определить группу спелости плода, его состояние и в зависимости от этого решить, собирать его сейчас или позже.
Без системы обработки изображений робот может не справиться даже с простыми задачами, такими как обнаружение и захват плода. В большинстве случаев это не проблема для роботизированной системы с технологиями машинного зрения: камера фиксирует изображение плода, в ходе последующего анализа изображения определяется его точно местоположение, после чего 2D- или 3D-координаты передаются в управляющую систему робота. В зависимости от ограничений технологического процесса, этот метод гарантирует безошибочный захват объектов.
Работа в питомнике
Питомники плодовых деревьев тоже пользуются роботами – для ухода за посадками. Именно здесь процесс роботизированной автоматизации дает наилучшие результаты: роботы берут на себя все работы в питомнике, включая посадку саженцев, регулярный полив и сбор овощей или фруктов по мере созревания. Сегодня решения для автоматизации питомников предлагают международные компании HETO Agrotechnics и Harvest Automation.
Роботы для микрораспыления и удаления сорняков
Сорняки – главные враги фермеров, и борьба с «зловредными» травами отнимает много времени и усилий. При распылении на поле гербицидов большая часть содержимого бака расходуется напрасно; в конечном итоге это пустая трада денег и огромный вред для почвенной экосистемы. Чтобы сузить негативное воздействие агрохимикатов и сократить расходы, на полях используют роботов для микрораспыления.
С помощью компьютерного зрения роботы-микрораспылители точно идентифицируют сорняки, а затем распыляют на них «целевую» каплю гербицида. Концепция микрораспыления может значительно сократить количество гербицидов при выращивании сельскохозяйственных культур. По этому принципу, работает, в частности, робот AG BOT II на солнечной энергии. Есть и другие роботы – прополочные, которые либо выдергивают сорняки механически, либо уничтожают их лазером.
Автономный робот, выжигающий сорняки лазером
Прореживание и обрезка
Прореживание включает уменьшение плотности растений, чтобы у каждого оставшегося было больше шансов на рост. Для прореживания посевов салата давно и успешно используется робот Lettuce bot. Обрезка включает обрезку частей растений для улучшения роста. Это сложная работа, и самые заметные попытки ее автоматизации были предприняты в винодельческой промышленности. Wall-Ye — автономный робот для виноградников, способный подрезать виноградные лозы. Компания также разработала робота для обрезки черники.
Автономные сельскохозяйственные роботы
Сельскохозяйственный автономный робот — это самая последняя и перспективная разработка аграрных технологий. Благодаря многофункциональности эти роботы могут выполнять несколько задач одновременно. Они могут делать все, включая посев, посадку, борьбу с сорняками, сбор урожая, мониторинг окружающей среды и анализ почвы.
Точный полив с помощью роботов
В основе растениеводства должен лежать принцип экономии воды. К сожалению, в процессах орошения и внесения удобрений мы используем много воды, и большая ее часть расходуется зря. Роботизированное точное орошение решает эту проблему и сокращает потери воды за счет воздействия на конкретные растения.
Животноводство
Пастух для мелкого и крупного рогатого скота
Большинство сельскохозяйственных роботов в настоящее время применяются в растениеводстве, но и в скотоводстве тоже появляются новые технологии. Фермеры в Новой Зеландии и в Ирландии используют дроны, чтобы перегонять своих овец на длинные дистанции в труднопроходимой местности. Примеров дистанционно управляемых дронов для выпаса скота много, их часто выкладывают в соцсетях. Они фактически стали дешевой альтернативой вертолетам, которые пока еще используют австралийские скотоводы. Существуют и беспилотники, которые контролируют большие пастбища и могут не только быстро обнаружить потерянных животных, но и вернуть их назад.
Доение, автоматизация коровников и фитнес-трекер для коров
Идея доения роботом появилась более 100 лет назад. Густаф де Лаваль, инженер из Швеции, запатентовал первое доильное оборудование в 1894 году. И 30 лет назад, в 1992 году, датская компания Lely представила первого полностью автоматического доильного робота Lely Astronaut. Эта технология стала революцией в молочном производстве. Теперь доильные роботы и других компаний есть в огромном большинстве хозяйств, но несколько лет назад к ним прибавились технологии контроля качества молока и мониторинга здоровья коров. Информация, собранная в ходе доения, видна фермеру через компьютерную систему управления стадом.
Автоматизация коровников тоже сегодня на подъеме: роботизированы чистящие средства, кормушки, мобильные уборщики, подталкиватели кормов, системы удаления навоза.
Другая интересная технология – это трекер для коров, который в чем-то похож на фитнес-браслет. Он измеряет количество шагов и жевательную деятельность каждой коровы – и посылает сигналы тревоги в случае любых поведенческих проблем у животного. На основе этих данных программное обеспечение составляет лучшие рекомендации по уходу и кормлению для каждой коровы.
Робот-подталкиватель кормов повышает эффективность фермы
Роботы в птицеводстве
Одна из самых важных проблем производства птицы – это биобезопасность. Поддерживать определенную влажность и температуру, предпринимать санитарные меры жизненно важно для предотвращения вспышек заболевания. В птичниках работают роботы-уборщики, они вымывают и очищают территорию, помогая контролировать уровень аммиака в воздухе.
Нередко куры при свободном содержании откладывают яйца не в гнездовые ящики, а на пол. В этом случае яйца собирает специальный робот. Другой робот движется вдоль всего птичника, осторожно разгоняя птиц и не давая им долго стоять на месте – это лучше для их физического состояния.
Специально разработанная система Chickenboy расположена на потолке и контролирует ситуацию в сарае. Она может обнаружить неактивных птиц – и птиц с неадекватным поведением, чрезмерно влажную подстилку и т.д. Фермер отслеживает весь процесс на экране ПК. Автономный робот для кормления забирает корм для птиц на складе и планирует маршрут по птичнику, чтобы обойти все кормушки.
Роботы в свиноводстве
В свиноводстве часто применяют неинвазивное взвешивание, которое удаленным образом определяет вес свиней. В этой технологии используют фотографии свиней и глубокие нейронные сети. Фермерам не нужно ловить свинью и физически перемещать ее в станок для взвешивания. В результате свиньи подвергаются меньшему стрессу.
В помещениях для свиней устанавливают уникальные устройства, которые автоматически подсчитывают количество голов животных. Устройства оснащены камерами и датчиками, отслеживающими передвижение свиней, так одно животное не будет подсчитано дважды. Умные камеры также отслеживают поведение свиней и отправляют сигналы в случае аномалий или травм.
Подводя итог, давайте рассмотрим, какие преимущества и проблемы могут быть предложены современными технологиями.
Будущее робототехники в сельском хозяйстве, безусловно, захватывает, а новые разработки и достижения гарантируют, что сложность и интеллект сельскохозяйственных роботов улучшаются из года в год.
Читайте также:
Чем запомнилась выставка CES 2023? Спасут ли роботы сельское хозяйство?