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农业的未来,真要用机器人取代农民吗?


用智能机器人耕作土地种植作物,会是农业未来的发展方向吗?图片来源:kunochan.com

  (文/James Mitchell Crow)下一次你站在超级市场的收银台前排队时,不妨想一想把你的菜篮装满的那些农民。这段时间,他们的日子可不好过,你也肯定要为此在食物上增加支出;对于全世界几百万三餐不继的饥民来说,这就更加是生死攸关的大事了。更糟糕的是,有研究指出,到2050年,全世界的粮食需求还会倍增。对农民来说,在向土地榨取更多收成的同时,他们还必须减少农耕对于环境的破坏。这一切的一切,都说明我们应当重新思考农耕的方式,并且要将自动化提升到全新的水平。

  在新型的模范农场里,精确将是关键。如果能将化学物质准确地喷洒到需要的作物上去,那何苦还要在整块土地上施药呢?在将来,每一株作物都能得到恰好的投入,不多也不少,这样非但能削减化学物品的使用,还能取得更好的收成。但是这说说容易,做起来就难了:欧洲和美国的那些大农场往往有数千公顷之巨,要对它们进行精确耕种,自动化就成了关键。具体来说,农业工程师指出,要精确耕作,就得由机器人充当农民。

  或许用不了多久,农业机器人就能认出一株株秧苗,并且用酌量的化肥和水滴来催促它们生长。另一些机器则会识别出杂草,然后用一小滴除草剂、一把喷火枪、或者一束高能激光来将它们铲除。不仅如此,这些机器还能认出各种成熟的蔬菜,并且收割下来。

  机器人还会给其他方面带来剧变,比如在农业工种上、在我们耕作的方式上、在土壤和土壤质量上,以及在农耕中投入的能量和碳含量上。它们能够降低污染,减少水的使用。不过对普通人来说,最显著的或许还是耕地外观的变化。有了机器人的参与,庄稼就可以在精心划分的小型农田里种植,果园里则会长满一列列二维形状的树木。不仅如此,机器农民甚至可能对端上餐桌的果蔬种类造成影响。

  一个多世纪以来的机械化进程,已经将世界大多数地方的农业改造成了具有工业规模的活动,其中出产谷物的农场是机械化程度最高的。另外一些作物,比如用来制作加工食品的橘子和西红柿,也已经由机器来采摘了。在数以千计的奶牛场里,奶牛也已经改由机器人来挤奶。这类产品在进入你家附近的商场之前,没有一样是经过人手染指的。


智能化的农业机器已经在田野中忙碌起来,不过这些机器人看上去都像是拖拉机的样子。图片来源:《新科学家》

  这还不够,下一代的自动化农业机器也已经在田野中忙碌开来。你可能已经见过它们,只是并未留意,因为这些机器人都扮成了拖拉机的样子。今天的这些“拖拉机”,有许多都是自动驾驶的,它们依靠GPS导航穿过田野,还能对自己的零件“说话”。而这些零件,比如一把犁、一只喷雾器等,也能向拖拉机“回话”。英国哈珀亚当斯大学学院研究农业技术的西蒙·布莱克摩尔(Simon Blackmore)举例说:“比如一部除草机就能告诉拖拉机‘你开得太快了’或者‘向左开’。”他还表示,这类系统正在成为标准配置。

  不同的农业机车之间也在开始彼此对话。美国约翰迪尔公司(John Deere)2012年出售的一种复合收割机,就能和牵引式挂车联系,并且提醒司机装载谷物。德国的芬特公司(Fendt)也研制出了成对作业的拖拉机,其中的一台由人工操作,另一台自动驾驶,在边上模仿第一台的动作。这套系统可以有效地将农民在田野中的劳作时间减半——而这还仅仅是开始。

  不过话说回来,等到充分自动化的系统开进农田时,它们就不会再是拖拉机的样子了。今天的农业机器个头和重量皆大,因此有一个重大的缺陷:它们会压紧土壤,减少孔隙,杀死有益的生物。这样一来,作物就无法茁壮生长。压紧的土壤还会增加雨水侵蚀。“我们为什么要犁地松土?主要就是为了修补大型拖拉机造成的破坏,”布莱克摩尔指出,“投入耕作的能量中,居然有8成是用来修补破坏的。这样的种地方法肯定要改。”

  他相信,启用成队的轻型自动机器人有望解决这个问题。他还指出,用精确取代蛮力是其中的关键。“一粒种子只要一平方厘米的土地就能生长,我们只要在那块土地上投入一小股能量,作物就能长得很好了。”

  有了这样的轻型机器人,犁地就再也没有必要了,由此可以大大降低能耗,也能降低农耕中排放的二氧化碳。当土地不再紧实,土壤就能保住原有的结构,留住有益的生物。它们还能吸收更多的水分,保持更久的肥力。

  具有这些能力的自动机器人已经开始在田野试验中展现气概了。它们需要具备的关键能力有3种:能自动行驶,能分析眼前的场景,还要能帮助农民烧掉野草、喷洒农药或者收割庄稼。

  其中导航系统还是最简单的部分,特别是在有了高精度的卫星导航技术RTK-GPS之后。这种技术能使机器将自己的位置确定在2厘米之内,由德国应用科学大学的阿诺·鲁克肖森(Arno Ruckelshausen)研发,目的是为一款叫做“BoniRob”的模块式农业机器人导航。BoniRob的外形像一辆四轮越野车,利用几台光谱成像仪来区分绿色的作物和褐色的土壤。它能记下每一株作物的位置,并在生长季中一次次返回原地观察它们的生长(参见《农业技术》,第67卷,第37页)。


BoniRob的外形像一辆四轮越野车,利用几台光谱成像仪来区分绿色的作物和褐色的土壤。图片来源:agrotec.cz

  激光除草枪

  除尽杂草是农民特别向往的一个目标,因为杂草会使有些作物的产量下降5成还多。因此,鲁克肖森下一步的计划就是,给他的机器人安装一套精确的喷洒系统,该系统仿照喷墨打印机,能够在杂草的叶片上喷洒微小的除草剂液滴。鲁克肖森估计,这项技术能够使农药的使用减少8成。根据布莱克摩尔的计算,即便是将机器人的前期投资计算在内,这个新方法也会比传统的除草手段便宜。不仅如此,新方法还明显有利于生物多样性的维持,因为它能将除草剂杀死的植物数目减到最低。喷洒杀虫剂不是机器人清除杂草的唯一手段:试验中的样机还能用火焰喷射器和激光枪烧死杂草,这一点对于有机农业可是大有用处的。

  同样的方法,或许还能节省化肥。田野试验显示,机器人能用传感器测量每一株小麦的氮水平,然后酌量施肥,并由此将整块田地的化肥使用削减8成以上,做到物尽其用(参见《美国土壤科学协会杂志》,第73卷,1566页)。一方面是化肥减少使用,一方面是土壤变松、蓄水能力加强,结果就是河流和水道变得更加健康。除此之外,还有一个不言而喻的好处:化肥的工业生产造成的大量碳排放,在精确施肥之后也能有所缓解。

  接下来的难题就是,如何区分杂草和作物。研究者正在研发相应的机器视觉系统,希望能借助叶片的不同形状来辨认比如杂草和甘蔗的不同。不过澳大利亚野外机器研究中心的萨拉·苏卡黎(Salah Sukkarieh)表示,由于缺乏资金,这方面的研究仍然进展缓慢。“如果在农业机器人方面的拨款能和采矿、国防项目相当,问题就可以解决。问题是,农业研究没有那么多钱。我们现在只能向别的行业借鉴,等他们的经验慢慢渗透过来。”但是他也表示,即便如此,机器人视觉也会在大约几年之后就绪。

  和苏卡黎一样,布莱克摩尔也认为农业机器人的运营没有技术上的障碍。目前已经有人对配备了机器视觉的机器人做过试验,比如丹麦的HoriBot。结果证明,这些机器人的确能够在田野中辨别野草,并且酌量喷洒除草剂。另有一些试验显示,机器人灌溉系统能够将用水削减一半。“现在是技术具备,只欠投资了,”布莱克摩尔说道。

  在日本,政府接手了农业自动化的工作。日本目前只有4成的粮食是自己耕种,因此比任何国家都更加依赖粮食进口,不过日本政府计划在未来10年内把这个比例提高到5成。随着人口老化和农民数目的减少,这个国家也把目光转向了机器人。

  眼下,北海道大学的野口伸(Noboru Noguchi)正在主持一个研究项目,旨在将农业机器人推向市场。该项目为期5年,由日本农林水产省投资800万美元,目标是将农耕从播种到收获的各个环节全部自动化。研究将主要围绕日本的3种标志性作物:稻米、小麦和大豆。研究团队计划2014年就在农田里试验样机。“从现在起的5年之后,我们就打算把它们推到市场上销售,”野口说道。

  机器人可能撞上步行的人或者走失的家畜,这是野口伸的一大担忧。于是他和德国的博世机械公司合作,准备给机器人配上激光和超声波传感装置,使它们能够警戒四周,一遇上撞击的迹象就紧急刹车。作为后备计划,机器人还会装上触感保险杠,即使真撞上了东西,也能立刻止步。

  除日本外,还有两个地方同样受制于农村劳力短缺,农业机器人可能很快出现——那就是北美和西欧。像中国这样快速发展的国家同样面临这个问题。荷兰瓦赫宁根大学的机器人研究者艾德特·凡·亨登(Eldert van Henten)指出:“农业工作没有趣味和声望可言,收入一般也不高,工作内容却又累又脏,所以大家都希望进入城市,去工厂或办公室工作。虽然人口在增加,也都需要吃饭,愿意从事农业生产的人口却在急剧缩减之中。”

  美国农业部的琳达·加尔文(Linda Calvin)和加利福尼亚大学戴维斯分校的菲利普·马丁(Philip Martin)研究了机械化的趋势,以预测美国的农场在劳动力缩减的未来将何去何从。现在的美国农场中有大量移民劳工,主要来自墨西哥。然而移民潮正在减缓,许多在美国工作的外国人都准备返回祖国了。美国劳工部开展的“全国农业工人调查”在过去25年内询问了5万多名农业工人,在近几年的调查中,超过半数的受访者都是非法移民。这个群体因为法律身份、教育水平和语言技能而无法从事其他许多职业,但是即便如此,他们当中的大多数也会在10年之内离开农场,转而从事其他对体力要求较小的职业。

  加尔文和马丁还指出,雇佣成本的上涨一直在推动农场采用节约人工的技术,他们举的例子是葡萄干生产业:2000年的大丰收使得葡萄价格一泻千里,随着利润大幅压缩,农场主找起了省钱的法子。本来人工是他们的一大开支——美国的农场平均有42%的生产成本是花在人力上的。农场主改造了葡萄酒生产商的收割机,将它运用到了自己的农场当中。到2007年,加利福尼亚州已经有将近一半的葡萄干是机器收割的了。曾经有5万之众的工人队伍,现在也缩减到了3万人。

  农业机器人或许对仰仗土地维生的劳工来说不是什么好消息,对农场主又如何呢?虽然有研究指出,机器人挤奶对于牧场的整体收益冲击不大,但是机器毕竟为奶农省去了每天挤奶的苦工。布莱克摩尔的计算则显示,农业机器人可以带来可观的经济利益,比如在谷物地和甜菜地里,机器人就能将每公顷的除草成本减少约两成。对经营有机农场的人来说,机器人的收益就更大了,因为劳动力在他们的总成本中所占的比重达到5成以上。对丹麦有机农业的一项研究指出,即便在计算了机器的购买和维修费用之后,农业机器人依然能将去除杂草的成本减去一半之多。


未来的农业机器人,将不再是拖拉机那样又笨又重的外形,而应该是成队作业的轻型自动机器人。图片来源:cropscience.bayer.com

  机器人农场

  约翰·斯特莱德(John Stride)任职于支持有机农业的英国土壤协会,了解到机器人技术能够减少农药的使用,他感到相当兴奋。不过他也提醒说,其中的风险同样值得研究。他说:“要不要引进任何新的技术,就要看我们能不能把它的好处给说清楚。”

  比如,农业机器人到底能不能降低食品价格?布莱克摩尔认为,只能说也许。决定食品价格的因素多种多样,从气候到超级市场的价格战,都有可能使价格或升或降。长远来看,自动化是否就能使果蔬变得便宜,这一点是很难断定的。但是降低了在农耕中投入的能量,我们至少就有机会把农产品的价格降下来。

  除此之外,农业机器人的广泛应用还可能在超市中造成其他变化。在英国赫尔大学研究农业的路易斯·哈罗维(Lewis Holloway)指出,用机器人挤奶可能会影响奶牛的基因组成,因为奶农会挑选那些“对机器人友善”的奶牛,也就是乳房形状、甚至性情都投合自动化的奶牛,并且用它们来繁殖后代。他还指出,根据同样的道理,农业机器人或许还会影响进入商场的水果和蔬菜的种类,因为农民或许同样偏爱那些适宜自动化的作物,比如叶片形状不容易被机器人认作野草的,就有可能受到青睐。

  还有一件事很难避免:这些机器最终将改变田园的景观。苏卡黎认为,等到人们在设计农场时就将农业机器人考虑在内的时候,机器人农业的春天就真正到来了。到了那时,田地将重新分割成小块,作物将种植成一格一格,而非一列一列,果树也会修葺成二维的形状,以方便采摘。虽然由机器人培养的这种奇怪的几何形农田还不会马上出现,但是正如苏卡黎所说,“它总有一天会出现的。”

  凡·亨登也同意这个说法,他回忆道:“我们在上世纪90年代中期开始试验机器人技术时,农民的态度是嘲笑和怀疑的。可是当我们展示了一台黄瓜收割机之后,他们就立刻来问我们明天能不能购买了。”

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关键词:机器人农业
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