Чтобы колонии на Марсе или Луне не ели один картофель, как в фильме Марсианин, им понадобятся насекомые. Ведь насекомые, например пчелы, являются неотъемлемой частью жизненного цикла многих растений, которые мы употребляем в пищу. Однако биологических пчел вряд ли удастся успешно содержать в космосе и других планетах, учитывая, что даже на Земле их популяция уменьшается. Поэтому инженеры предложили для космических ферм создать роботов, заменяющих пчел.
Люди уже давно выращивают нужные им растения не на полях, а в закрытых помещениях вертикально расположенных грядок и высоким уровнем автоматизации.
Первая в мире коммерческая вертикальная ферма была открыта в Сингапуре в 2012 году. В последующие годы появилось больше предприятий, а крупные игроки, такие как Infarm и AeroFarms, снабдили едой сотни миллионов людей в течение следующего десятилетия.
Посредством систем, таких как гидропоника, а также искусственного интеллекта для тщательного мониторинга роста растений и использования воды, некоторые компании и эксперты утверждают, что эти футуристические фермы могут справиться с глобальной проблемой продовольственной безопасности без огромного влияния на землю и воду по сравнению с традиционным фермерством. полях.
Эти фермы «имеют потенциал внести значительный вклад в наш рацион», — говорит Томас Грэм, исследующий сельское хозяйство с контролируемой средой в Университете Гвельфа в Онтарио. И компании могут разместить их практически где угодно.
Однако за последний год надежды многих вертикальных ферм иссякли. Недавняя инфляция и стремительный рост цен на энергоносители по всему миру, вызванный вторжением России в Украину, сделали электроэнергию для этих ферм почти недоступной. Осенью прошлого года Infarm объявила об увольнении более половины своих сотрудников, а AeroFarms недавно объявила о банкротстве. Между тем, другие вертикальные фермерские предприятия также сталкиваются с финансовыми проблемами.
Сокращение продовольственного ассортимента таких ферм для сбережений средств не является приемлемым вариантом. Вертикальные фермы имеют ограниченный диапазон предложений; большинство выращивает только зелень, такую как салат и пряные травы, поскольку они используют небольшое количество воды и их относительно легко выращивать дома с помощью гидропоники. «Некоторая работа, которую мы проделываем, состоит в том, чтобы не использовать только листовую зелень, — говорит Грэм. – Мир не накормишь салатом».
Чтобы справиться с проблемой продовольственной безопасности, вертикальные фермы должны расширить свои предложения, а это значит найти способ привлечь опылителей к высокотехнологичным закрытым сельскохозяйственным операциям.
Приблизительно треть потребляемых нами сельскохозяйственных культур нуждается в таких опылителях, как пчелы и летучие мыши, чтобы расти. Эту работу существам тяжело выполнить на вертикальной ферме. Одомашненные медоносные пчелы, одни из самых популярных опылителей для коммерческих производителей, имеют проблемы с ориентировкой при искусственном освещении. А опыление вручную требует очень много времени и, следовательно, дорого.
Чтобы решить проблему, исследователи работали над работами-опылителями более десяти лет. Но такие опылители только недавно попали в университеты и коммерческие предприятия.
Пчелы-роботы в помощь
Автоматизированные машины не являются чем-то странным на фермах. С середины 20 века исследователи исследовали способы автоматизации сельского хозяйства, включая тракторы с автоматическим управлением. К 1980-м и 1990-м годам инженеры начали разрабатывать специальные устройства, такие как роботизированная машина для сбора дынь и роботы-сборщики помидоров.
Компании сейчас разрабатывают автономные роботы для сбора разнообразной продукции, а некоторые устройства также могут выполнять дополнительные задачи, включая прополку, опрыскивание пестицидами и мониторинг заболеваний.
Искусственный интеллект помогает большинству этих инструментов упорядочивать и обрабатывать информацию с бортовых датчиков – часто многоспектральных камер, которые могут улавливать разницу в типах света, отраженного растениями. Эти отличия дают подсказки о здоровье урожая, например о спелости плодов или признаках повреждения.
Хотя большинство исследований сельскохозяйственных машин все еще сосредоточены на роботизированных машинах, собирающих продукты, теперь больше команд стремятся также автоматизировать опыление, говорит Махла Неджати, научный сотрудник Университета Окленда в Новой Зеландии, работающий над ориентированной на сельское хозяйство робототехникой и искусственным интеллектом.
Для своей научной роботы Неджати разработала систему компьютерного зрения для автономного бота по сбору киви и яблок. Впоследствии ее коллеги открыли: поскольку они уже собирали фрукты роботизированными методами, было бы «лучше начать опыление раньше», – говорит Неджати.
Сейчас ученые и бизнесмены во всем мире пытаются найти лучшие способы разработки и внедрения робо-опылителей. Это непростая задача, говорит Ю Гу, робототехник из Университета Западной Вирджинии, разрабатывающий машину для опыления с шестью руками под названием StickBug.
«Я считаю, что существует так много видов цветов и так много типов сельскохозяйственных условий, что является большой проблемой для создания опылителей для широкого использования», — говорит он.
Некоторые исследователи вынесли свою работу за рамки лабораторий на коммерческий рынок. Сиддхарт Джадхав, ранее изучавший аэродинамику беспилотных летательных аппаратов в Национальном университете Сингапура, основал компанию под названием Polybee в 2019 году. Он и его коллеги адаптировали широкодоступные мини-дроны для различных типов сельскохозяйственных операций в помещении, включая вертикальные фермы и теплицы.
Программное обеспечение Polybee на базе искусственного интеллекта инструктирует дроны летать вблизи растений. Затем дроны осторожно возбуждают воздух вокруг них, чтобы вибрировать цветы, когда условия в теплицах (такие как температура и влажность) оптимальны для опыления, говорит Джадхав. Это действие вытряхивает пыльцу из цветка и запускает процесс оплодотворения.
Сейчас Polybee продает свою систему опыления коммерческим теплицам для томатов в Австралии. По сравнению со многими другими продовольственными культурами, опыление помидоров относительно просто, поскольку цветы растения имеют мужские и женские части.
Команда также провела испытания на компаниях, занимающихся вертикальным выращиванием в закрытой почве, говорит Джадхав, хотя существует не так много коммерческих вертикальных фермерских хозяйств, которые еще выращивают плодовые культуры в масштабах.
Израильская компания под названием Arugga также продает ботов для томатных теплиц. Ее странствующий наземный робот, метко названный Полли, передвигается между рядами растений и взрывается импульсами воздуха, чтобы ускорить опыление. Процесс в основном автономный. Однако пока люди-операторы должны перемещать Полли между рядами с помощью планшета.
Arugga может в конце концов применяться на вертикальных фермах, но только если этот рынок станет прибыльнее, говорит Эйтан Хеллер, соучредитель компании и вице-президент по развитию бизнеса.
И все же, если роботы-опылители подойдут для вертикальных ферм, они могут предложить многочисленные преимущества.
Во-первых, они могут уменьшить количество инфекций между растениями, поскольку биологические пчелы могут распространять болезни, причиняющие большой вред фермам. Более двух десятилетий ученые со всего мира предполагали, что шмели могут распространять вирусы на ранее незараженные помидоры, которые могут сделать их непригодными для продажи.
Выращенные в закрытых условиях пчелы, размещенные в теплицах, также могут выскользнуть на улицу и заразить диких пчел неподалеку, количество которых быстро сокращается. Это особенно вредит растениям, которые полагаются на опылители на открытом воздухе, поскольку они не могут перейти на другие заменители.
По словам Неджати, боты лучше работают в закрытых помещениях, где они могут передвигаться по высокоструктурированной среде и избегать непредсказуемой погоды и температур.
Что будет дальше для роботов-пчел
Хотя Polybee и Arugga утверждают, что справились с опылением помидоров, они по-прежнему работают над модификацией своих продуктов для роботы с другими видами растений.
Сейчас Polybee проводит испытания с клубникой. Arugga говорит, что ее инструменты можно настроить для роботы со многими культурами, такими как клубника и черника.
Но у каждого растения есть свои собственные сложности, говорит Гу. В то время как Arugga планирует использовать свой метод пульсирующего воздуха для различных типов фруктов, Гу и его коллеги обнаружили, что некоторые сорта могут нуждаться в прямом контакте с работами-опылителями, подобно природному методу, который выполняют пчелы.
После сотрудничества с рядом экспертов, включая энтомологов и садоводов, он считает, что, например, некоторые виды ягод, вероятно, выиграют от контактного опыления. Грэм соглашается, что некие ягоды, возможно, выиграют от прямого взаимодействия с работами.
Независимо от фруктов, работам придется работать аккуратно, чтобы не повредить цветы, которые, как правило, нежны. Гу сравнивает процесс опыления с «роботизированной хирургией» и говорит, что сейчас метод воздушного потока от дрона, вероятно, будет ограничен работой с несколькими растениями одновременно.
«Культура, которая требует точного опыления, мешает поток воздуха, — говорит он. – Трудно работать так точно».
Даже если роботизированные опылители спасут вертикальные фермы, маловероятно, что любой тип сельского хозяйства в помещении сможет полностью заменить поля, на которые люди полагались тысячелетиями.
Но Грэм предполагает, что вертикальные фермы могут дополнять культуру на открытом воздухе, не занимая слишком много места. К примеру, их можно построить на заброшенных участках земли. «Это дополнительный способ делать вещи, – говорит Грэм. – Нам нужно переосмыслить сельское хозяйство в условиях изменения климата и роста населения, но [вертикальные фермы] не следует рассматривать как конкурентоспособные, потому что они таковыми не являются».
Вертикальные фермы могут дополнительно помочь в другом месте, в котором не хватает природных ресурсов: космоса. Грэм, также исследующий производство продуктов питания в космосе, говорит, что роботы-опылители могут быть особенно полезны в этой среде.
Хотя ученые уже планируют вывести живых насекомых в космос, чтобы они работали как опылители и ели отходы, аналоги насекомых, вероятно, жили бы дольше. Биологические «рабочие» шмели живут всего несколько недель. Астронавты могли бы даже напечатать эти инструменты на 3D-принтере, находясь вне Земли.
По материалам: Scientific American
