Щоб колонії на Марсі чи Місяці не їли одну картоплю, як у фільмі «Марсіанин», їм знадобляться комахи. Адже комахи, наприклад, бджоли, є невід’ємною частиною життєвого циклу багатьох рослин, які ми вживаємо в їжу. Однак біологічних бджіл навряд чи вдасться успішно утримувати в космосі та на інших планетах, зважаючи, що навіть на Землі їхня популяція зменшується. Тому інженери запропонували для космічних ферм створити роботів, які замінять бджіл.
Люди вже досить давно вирощують потрібні їм рослини не на полях, а в закритих приміщеннях вертикально розташованих грядок та високим рівнем автоматизації.
Перша в світі комерційна вертикальна ферма була відкрита у Сінгапурі в 2012 році. В наступні роки з’явилося більше підприємств, а великі гравці, такі як Infarm і AeroFarms, забезпечили їжею сотні мільйонів людей протягом наступного десятиліття.
За допомогою систем, таких як гідропоніка, а також штучного інтелекту для ретельного моніторингу росту рослин і використання води, деякі компанії та експерти стверджують, що ці футуристичні ферми можуть впоратися з глобальною проблемою продовольчої безпеки без величезного впливу на землю і воду порівняно з традиційним фермерством на полях.
Ці ферми «мають потенціал внести значний внесок у наш раціон», — каже Томас Грем, який досліджує сільське господарство з контрольованим середовищем в Університеті Гвельфа в Онтаріо. І компанії можуть розмістити їх практично будь-де.
Однак за останній рік надії багатьох вертикальних ферм вичерпалися. Нещодавня інфляція та стрімке зростання цін на енергоносії в усьому світі, викликане вторгненням Росії в Україну, зробили електроенергію для цих ферм майже недоступною. Восени минулого року Infarm оголосила про звільнення більше половини своїх співробітників, а AeroFarms нещодавно оголосила про банкрутство. Тим часом інші вертикальні фермерські підприємства також стикаються з фінансовими проблемами.
Скорочення продовольчого асортименту таких ферм для заощаджень коштів не є прийнятним варіантом. Вертикальні ферми наразі мають обмежений діапазон пропозицій; більшість вирощує лише зелень, таку як салат і пряні трави, оскільки вони використовують невелику кількість води, і їх відносно легко вирощувати вдома за допомогою гідропоніки. «Деяка робота, яку ми робимо, полягає в тому, щоб не використовувати лише листову зелень, — каже Грем. – Світ не нагодуєш салатом».
Щоб по-справжньому впоратися з проблемою продовольчої безпеки, вертикальні ферми повинні розширити свої пропозиції, а це означає знайти спосіб залучити запилювачів до високотехнологічних закритих сільськогосподарських операцій.
Приблизно третина сільськогосподарських культур, які ми споживаємо, потребує таких запилювачів, як бджоли та кажани, щоб рости. Цю роботу істотам важко виконати на вертикальній фермі. Одомашнені медоносні бджоли, одні з найпопулярніших запилювачів для комерційних виробників, мають проблеми з орієнтуванням при штучному освітленні. А запилення вручну потребує надзвичайно багато часу і, отже, є дорогим.
Щоб вирішити проблему, дослідники працювали над роботами-запилювачами більше десяти років. Але такі запилювачі лише нещодавно потрапили в університети та комерційні підприємства.
Бджоли-роботи на допомогу
Автоматизовані машини не є чимось дивним на фермах. З середини 20-го століття дослідники досліджували способи автоматизації сільського господарства, включаючи трактори з автоматичним керуванням. До 1980-х і 1990-х років інженери почали розробляти спеціальні пристрої, такі як роботизована машина для збору динь і роботи-збирачі помідорів.
Компанії зараз розробляють автономних роботів для збирання різноманітної продукції, а деякі пристрої також можуть виконувати додаткові завдання, включаючи прополку, обприскування пестицидами та моніторинг захворювань.
Штучний інтелект допомагає більшості цих інструментів упорядковувати та обробляти інформацію з бортових датчиків — часто багатоспектральних камер, які можуть вловлювати різницю в типах світла, відбитого рослинами. Ці відмінності дають підказки про здоров’я врожаю, наприклад про стиглість плодів або ознаки пошкодження.
Хоча більшість досліджень сільськогосподарських машин все ще зосереджені на роботизованих машинах, які збирають продукти, тепер більше команд прагнуть також автоматизувати запилення, каже Махла Неджаті, науковий співробітник Університету Окленда в Новій Зеландії, яка працює над орієнтованою на сільське господарство робототехнікою та штучним інтелектом.
Для своєї наукової роботи Неджаті розробила систему комп’ютерного зору для автономного бота для збору ківі та яблук. Згодом її колеги відкрили: оскільки вони вже збирали фрукти роботизованими методами, було б «краще почати запилення раніше», — каже Неджаті.
Зараз науковці та бізнесмени в усьому світі намагаються знайти найкращі способи розробки та впровадження робо-запилювачів. Це непросте завдання, каже Ю Гу, робототехнік з Університету Західної Вірджинії, який розробляє машину для запилення з шістьма руками під назвою StickBug.
«Я вважаю, що існує так багато видів квітів і так багато типів сільськогосподарських умов, що є великою проблемою для створення запилювачів для широкого використання», — каже він.
Деякі дослідники винесли свою роботу за межі лабораторій на комерційний ринок. Сіддхарт Джадхав, який раніше вивчав аеродинаміку безпілотних літальних апаратів у Національному університеті Сінгапуру, заснував компанію під назвою Polybee у 2019 році. Він та його колеги адаптували широкодоступні міні-дрони для різних типів сільськогосподарських операцій у приміщенні, включаючи вертикальні ферми та теплиці.
Програмне забезпечення Polybee на базі штучного інтелекту інструктує дрони літати поблизу рослин. Потім дрони обережно збурюють повітря навколо них, щоб вібрувати квіти, коли умови в теплицях (такі як температура та вологість) є оптимальними для запилення, каже Джадхав. Ця дія витрушує пилок із квітки та запускає процес запліднення.
Зараз Polybee продає свою систему запилення комерційним теплицям для томатів в Австралії. Порівняно з багатьма іншими продовольчими культурами, запилення помідорів є відносно простим, оскільки квіти рослини мають чоловічі та жіночі частини.
Команда також провела випробування на компаніях, які займаються вертикальним вирощуванням у закритому грунті, каже Джадхав, хоча існує не так багато комерційних вертикальних фермерських господарств, які ще вирощують плодові культури в масштабах.
Ізраїльська компанія під назвою Arugga також продає ботів для томатних теплиць. Її мандрівний наземний робот, якого влучно назвали Поллі, пересувається між рядами рослин і вибухає імпульсами повітря, щоб прискорити запилення. Процес здебільшого автономний. Однак поки що люди-оператори повинні переміщати Поллі між рядами за допомогою планшета.
Arugga може врешті-решт застосовуватися на вертикальних фермах, але лише якщо цей ринок стане більш прибутковим, каже Ейтан Хеллер, співзасновник компанії та віце-президент із розвитку бізнесу.
І все ж, якщо роботи-запилювачі підійдуть для вертикальних ферм, вони можуть запропонувати численні переваги.
По-перше, вони можуть зменшити кількість інфекцій між рослинами, оскільки біологічні бджоли можуть поширювати хвороби, які завдають великої шкоди фермам. Понад два десятиліття вчені з усього світу припускали, що джмелі можуть поширювати віруси на раніше незаражені помідори, які можуть зробити їх непридатними для продажу.
Вирощені в закритих умовах бджоли, розміщені в теплицях, також можуть вислизнути на вулицю та заразити диких бджіл неподалік, кількість яких уже швидко скорочується. Це особливо шкодить рослинам, які покладаються на запилювачі на відкритому повітрі, оскільки вони не можуть перейти на інші замінники.
За словами Неджаті, боти найкраще працюють у закритих приміщеннях, де вони можуть пересуватися по високоструктурованому середовищу та уникати непередбачуваної погоди та температур.
Що буде далі для роботів-бджіл
Хоча Polybee і Arugga стверджують, що впоралися із запиленням помідорів, вони все ще працюють над модифікацією своїх продуктів для роботи з іншими видами рослин.
Зараз Polybee проводить випробування з полуницею. Arugga каже, що її інструменти можна налаштувати для роботи з багатьма культурами, такими як полуниця та чорниця.
Але кожна рослина має свої власні складності, каже Гу. У той час як Arugga планує використовувати свій метод пульсуючого повітря для різних типів фруктів, Гу та його колеги виявили, що деякі сорти можуть потребувати прямого контакту з роботами-запилювачами, подібно до природного методу, який виконують бджоли.
Після співпраці з низкою експертів, включаючи ентомологів і садівників, він вважає, що, наприклад, деякі види ягід, ймовірно, виграють від контактного запилення. Грем погоджується, що деякі ягоди, ймовірно, виграють від прямої взаємодії з роботами.
Незалежно від фруктів, роботам доведеться працювати акуратно, щоб не пошкодити квіти, які, як правило, ніжні. Гу порівнює процес запилення з «роботизованою хірургією» і каже, що на даний момент метод повітряного потоку від дрона, ймовірно, буде обмежений роботою з кількома рослинами одночасно.
«Культурі, яка потребує точного запилення, заважає потік повітря, — каже він. – Важко працювати так точно».
Навіть якщо роботизовані запилювачі врятують вертикальні ферми, малоймовірно, що будь-який тип сільського господарства у приміщенні зможе повністю замінити поля, на які люди покладалися протягом тисячоліть.
Але Грем припускає, що вертикальні ферми можуть доповнювати культури на відкритому повітрі, не займаючи занадто багато місця. Наприклад, їх можна побудувати на покинутих ділянках землі. «Це додатковий спосіб робити речі, — каже Грем. – Нам потрібно переосмислити сільське господарство в умовах зміни клімату та зростання населення, але [вертикальні ферми] не слід розглядати як конкурентоспроможні, тому що вони такими не є».
Вертикальні ферми можуть додатково допомогти у іншому місці, якому бракує природних ресурсів: космосу. Грем, який також досліджує виробництво продуктів харчування у космосі, каже, що роботи-запилювачі можуть бути особливо корисними в цьому середовищі.
Хоча вчені вже планують вивести живих комах у космос, щоб вони працювали як запилювачі та їли відходи, роботизовані аналоги комах, ймовірно, жили б довше. Біологічні «робочі» джмелі живуть лише кілька тижнів. Астронавти могли б навіть надрукувати ці інструменти на 3D-принтері, перебуваючи поза межами Землі.
За матеріалами: Scientific American
