用智能機(jī)器人耕作土地種植作物,會(huì)是農(nóng)業(yè)未來的發(fā)展方向嗎？

　　下一次你站在超級(jí)市場(chǎng)的收銀臺(tái)前排隊(duì)時(shí),不妨想一想把你的菜籃裝滿的那些農(nóng)民。這段時(shí)間,他們的日子可不好過,你也肯定要為此在食物上增加支出；對(duì)于全世界幾百萬三餐不繼的饑民來說,這就更加是生死攸關(guān)的大事了。更糟糕的是,有研究指出,到2050年,全世界的糧食需求還會(huì)倍增。對(duì)農(nóng)民來說,在向土地榨取更多收成的同時(shí),他們還必須減少農(nóng)耕對(duì)于環(huán)境的破壞。這一切的一切,都說明我們應(yīng)當(dāng)重新思考農(nóng)耕的方式,并且要將自動(dòng)化提升到全新的水平。

　　在新型的模范農(nóng)場(chǎng)里,精確將是關(guān)鍵。如果能將化學(xué)物質(zhì)準(zhǔn)確地噴灑到需要的作物上去,那何苦還要在整塊土地上施藥呢？在將來,每一株作物都能得到恰好的投入,不多也不少,這樣非但能削減化學(xué)物品的使用,還能取得更好的收成。但是這說說容易,做起來就難了：歐洲和美國的那些大農(nóng)場(chǎng)往往有數(shù)千公頃之巨,要對(duì)它們進(jìn)行精確耕種,自動(dòng)化就成了關(guān)鍵。具體來說,農(nóng)業(yè)工程師指出,要精確耕作,就得由機(jī)器人充當(dāng)農(nóng)民。

　　或許用不了多久,農(nóng)業(yè)機(jī)器人就能認(rèn)出一株株秧苗,并且用酌量的化肥和水滴來催促它們生長(zhǎng)。另一些機(jī)器則會(huì)識(shí)別出雜草,然后用一小滴除草劑、一把噴火槍、或者一束高能激光來將它們鏟除。不僅如此,這些機(jī)器還能認(rèn)出各種成熟的蔬菜,并且收割下來。

　　機(jī)器人還會(huì)給其他方面帶來劇變,比如在農(nóng)業(yè)工種上、在我們耕作的方式上、在土壤和土壤質(zhì)量上,以及在農(nóng)耕中投入的能量和碳含量上。它們能夠降低污染,減少水的使用。不過對(duì)普通人來說,最顯著的或許還是耕地外觀的變化。有了機(jī)器人的參與,莊稼就可以在精心劃分的小型農(nóng)田里種植,果園里則會(huì)長(zhǎng)滿一列列二維形狀的樹木。不僅如此,機(jī)器農(nóng)民甚至可能對(duì)端上餐桌的果蔬種類造成影響。

　　一個(gè)多世紀(jì)以來的機(jī)械化進(jìn)程,已經(jīng)將世界大多數(shù)地方的農(nóng)業(yè)改造成了具有工業(yè)規(guī)模的活動(dòng),其中出產(chǎn)谷物的農(nóng)場(chǎng)是機(jī)械化程度最高的。另外一些作物,比如用來制作加工食品的橘子和西紅柿,也已經(jīng)由機(jī)器來采摘了。在數(shù)以千計(jì)的奶牛場(chǎng)里,奶牛也已經(jīng)改由機(jī)器人來擠奶。這類產(chǎn)品在進(jìn)入你家附近的商場(chǎng)之前,沒有一樣是經(jīng)過人手染指的。

智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)器已經(jīng)在田野中忙碌起來,不過這些機(jī)器人看上去都像是拖拉機(jī)的樣子。圖片來源：《新科學(xué)家》

　　這還不夠,下一代的自動(dòng)化農(nóng)業(yè)機(jī)器也已經(jīng)在田野中忙碌開來。你可能已經(jīng)見過它們,只是并未留意,因?yàn)檫@些機(jī)器人都扮成了拖拉機(jī)的樣子。今天的這些“拖拉機(jī)”,有許多都是自動(dòng)駕駛的,它們依靠GPS導(dǎo)航穿過田野,還能對(duì)自己的零件“說話”。而這些零件,比如一把犁、一只噴霧器等,也能向拖拉機(jī)“回話”。英國哈珀亞當(dāng)斯大學(xué)學(xué)院研究農(nóng)業(yè)技術(shù)的西蒙.布萊克摩爾(Simon Blackmore)舉例說：“比如一部除草機(jī)就能告訴拖拉機(jī)‘你開得太快了’或者‘向左開’。”他還表示,這類系統(tǒng)正在成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

　　不同的農(nóng)業(yè)機(jī)車之間也在開始彼此對(duì)話。美國約翰迪爾公司(John Deere)2012年出售的一種復(fù)合收割機(jī),就能和牽引式掛車聯(lián)系,并且提醒司機(jī)裝載谷物。德國的芬特公司(Fendt)也研制出了成對(duì)作業(yè)的拖拉機(jī),其中的一臺(tái)由人工操作,另一臺(tái)自動(dòng)駕駛,在邊上模仿第一臺(tái)的動(dòng)作。這套系統(tǒng)可以有效地將農(nóng)民在田野中的勞作時(shí)間減半--而這還僅僅是開始。

　　不過話說回來,等到充分自動(dòng)化的系統(tǒng)開進(jìn)農(nóng)田時(shí),它們就不會(huì)再是拖拉機(jī)的樣子了。今天的農(nóng)業(yè)機(jī)器個(gè)頭和重量皆大,因此有一個(gè)重大的缺陷：它們會(huì)壓緊土壤,減少孔隙,殺死有益的生物。這樣一來,作物就無法茁壯生長(zhǎng)。壓緊的土壤還會(huì)增加雨水侵蝕。“我們?yōu)槭裁匆绲厮赏粒恐饕褪菫榱诵扪a(bǔ)大型拖拉機(jī)造成的破壞,”布萊克摩爾指出,“投入耕作的能量中,居然有8成是用來修補(bǔ)破壞的。這樣的種地方法肯定要改。”

　　他相信,啟用成隊(duì)的輕型自動(dòng)機(jī)器人有望解決這個(gè)問題。他還指出,用精確取代蠻力是其中的關(guān)鍵。“一粒種子只要一平方厘米的土地就能生長(zhǎng),我們只要在那塊土地上投入一小股能量,作物就能長(zhǎng)得很好了。”

　　有了這樣的輕型機(jī)器人,犁地就再也沒有必要了,由此可以大大降低能耗,也能降低農(nóng)耕中排放的二氧化碳。當(dāng)土地不再緊實(shí),土壤就能保住原有的結(jié)構(gòu),留住有益的生物。它們還能吸收更多的水分,保持更久的肥力。

　　具有這些能力的自動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)開始在田野試驗(yàn)中展現(xiàn)氣概了。它們需要具備的關(guān)鍵能力有3種：能自動(dòng)行駛,能分析眼前的場(chǎng)景,還要能幫助農(nóng)民燒掉野草、噴灑農(nóng)藥或者收割莊稼。

　　其中導(dǎo)航系統(tǒng)還是最簡(jiǎn)單的部分,特別是在有了高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)RTK-GPS之后。這種技術(shù)能使機(jī)器將自己的位置確定在2厘米之內(nèi),由德國應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的阿諾.魯克肖森(Arno Ruckelshausen)研發(fā),目的是為一款叫做“BoniRob”的模塊式農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航。BoniRob的外形像一輛四輪越野車,利用幾臺(tái)光譜成像儀來區(qū)分綠色的作物和褐色的土壤。它能記下每一株作物的位置,并在生長(zhǎng)季中一次次返回原地觀察它們的生長(zhǎng)(參見《農(nóng)業(yè)技術(shù)》,第67卷,第37頁)。

BoniRob的外形像一輛四輪越野車,利用幾臺(tái)光譜成像儀來區(qū)分綠色的作物和褐色的土壤。圖片來源：agrotec.cz

激光除草槍

　　除盡雜草是農(nóng)民特別向往的一個(gè)目標(biāo),因?yàn)殡s草會(huì)使有些作物的產(chǎn)量下降5成還多。因此,魯克肖森下一步的計(jì)劃就是,給他的機(jī)器人安裝一套精確的噴灑系統(tǒng),該系統(tǒng)仿照噴墨打印機(jī),能夠在雜草的葉片上噴灑微小的除草劑液滴。根據(jù)布萊克摩爾的計(jì)算,即便是將機(jī)器人的前期投資計(jì)算在內(nèi),這個(gè)新方法也會(huì)比傳統(tǒng)的除草手段便宜。不僅如此,新方法還明顯有利于生物多樣性的維持,因?yàn)樗軐⒊輨⑺赖闹参飻?shù)目減到最低。噴灑殺蟲劑不是機(jī)器人清除雜草的唯一手段：試驗(yàn)中的樣機(jī)還能用火焰噴射器和激光槍燒死雜草,這一點(diǎn)對(duì)于有機(jī)農(nóng)業(yè)可是大有用處的。

　　同樣的方法,或許還能節(jié)省化肥。田野試驗(yàn)顯示,機(jī)器人能用傳感器測(cè)量每一株小麥的氮水平,然后酌量施肥,并由此將整塊田地的化肥使用削減8成以上,做到物盡其用(參見《美國土壤科學(xué)協(xié)會(huì)雜志》,第73卷,1566頁)。一方面是化肥減少使用,一方面是土壤變松、蓄水能力加強(qiáng),結(jié)果就是河流和水道變得更加健康。除此之外,還有一個(gè)不言而喻的好處：化肥的工業(yè)生產(chǎn)造成的大量碳排放,在精確施肥之后也能有所緩解。

　　接下來的難題就是,如何區(qū)分雜草和作物。研究者正在研發(fā)相應(yīng)的機(jī)器視覺系統(tǒng),希望能借助葉片的不同形狀來辨認(rèn)比如雜草和甘蔗的不同。不過澳大利亞野外機(jī)器研究中心的薩拉.蘇卡黎(Salah Sukkarieh)表示,由于缺乏資金,這方面的研究仍然進(jìn)展緩慢。“如果在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的撥款能和采礦、國防項(xiàng)目相當(dāng),問題就可以解決。問題是,農(nóng)業(yè)研究沒有那么多錢。我們現(xiàn)在只能向別的行業(yè)借鑒,等他們的經(jīng)驗(yàn)慢慢滲透過來。”但是他也表示,即便如此,機(jī)器人視覺也會(huì)在大約幾年之后就緒。

　　和蘇卡黎一樣,布萊克摩爾也認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的運(yùn)營沒有技術(shù)上的障礙。目前已經(jīng)有人對(duì)配備了機(jī)器視覺的機(jī)器人做過試驗(yàn),比如丹麥的HoriBot。結(jié)果證明,這些機(jī)器人的確能夠在田野中辨別野草,并且酌量噴灑除草劑。另有一些試驗(yàn)顯示,機(jī)器人灌溉系統(tǒng)能夠?qū)⒂盟鳒p一半。“現(xiàn)在是技術(shù)具備,只欠投資了,”布萊克摩爾說道。

　　在日本,政府接手了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的工作。日本目前只有4成的糧食是自己耕種,因此比任何國家都更加依賴糧食進(jìn)口,不過日本政府計(jì)劃在未來10年內(nèi)把這個(gè)比例提高到5成。隨著人口老化和農(nóng)民數(shù)目的減少,這個(gè)國家也把目光轉(zhuǎn)向了機(jī)器人。

　　眼下,北海道大學(xué)的野口伸(Noboru Noguchi)正在主持一個(gè)研究項(xiàng)目,旨在將農(nóng)業(yè)機(jī)器人推向市場(chǎng)。該項(xiàng)目為期5年,由日本農(nóng)林水產(chǎn)省投資800萬美元,目標(biāo)是將農(nóng)耕從播種到收獲的各個(gè)環(huán)節(jié)全部自動(dòng)化。研究將主要圍繞日本的3種標(biāo)志性作物：稻米、小麥和大豆。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃2014年就在農(nóng)田里試驗(yàn)樣機(jī)。“從現(xiàn)在起的5年之后,我們就打算把它們推到市場(chǎng)上銷售,”野口說道。

　　機(jī)器人可能撞上步行的人或者走失的家畜,這是野口伸的一大擔(dān)憂。于是他和德國的博世機(jī)械公司合作,準(zhǔn)備給機(jī)器人配上激光和超聲波傳感裝置,使它們能夠警戒四周,一遇上撞擊的跡象就緊急剎車。作為后備計(jì)劃,機(jī)器人還會(huì)裝上觸感保險(xiǎn)杠,即使真撞上了東西,也能立刻止步。

　　除日本外,還有兩個(gè)地方同樣受制于農(nóng)村勞力短缺,農(nóng)業(yè)機(jī)器人可能很快出現(xiàn)--那就是北美和西歐。像中國這樣快速發(fā)展的國家同樣面臨這個(gè)問題。荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的機(jī)器人研究者艾德特.凡.亨登(Eldert van Henten)指出：“農(nóng)業(yè)工作沒有趣味和聲望可言,收入一般也不高,工作內(nèi)容卻又累又臟,所以大家都希望進(jìn)入城市,去工廠或辦公室工作。雖然人口在增加,也都需要吃飯,愿意從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口卻在急劇縮減之中。”

　　美國農(nóng)業(yè)部的琳達(dá).加爾文(Linda Calvin)和加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的菲利普.馬丁(Philip Martin)研究了機(jī)械化的趨勢(shì),以預(yù)測(cè)美國的農(nóng)場(chǎng)在勞動(dòng)力縮減的未來將何去何從。現(xiàn)在的美國農(nóng)場(chǎng)中有大量移民勞工,主要來自墨西哥。然而移民潮正在減緩,許多在美國工作的外國人都準(zhǔn)備返回祖國了。美國勞工部開展的“全國農(nóng)業(yè)工人調(diào)查”在過去25年內(nèi)詢問了5萬多名農(nóng)業(yè)工人,在近幾年的調(diào)查中,超過半數(shù)的受訪者都是非法移民。這個(gè)群體因?yàn)榉缮矸荨⒔逃胶驼Z言技能而無法從事其他許多職業(yè),但是即便如此,他們當(dāng)中的大多數(shù)也會(huì)在10年之內(nèi)離開農(nóng)場(chǎng),轉(zhuǎn)而從事其他對(duì)體力要求較小的職業(yè)。

　　加爾文和馬丁還指出,雇傭成本的上漲一直在推動(dòng)農(nóng)場(chǎng)采用節(jié)約人工的技術(shù),他們舉的例子是葡萄干生產(chǎn)業(yè)：2000年的大豐收使得葡萄價(jià)格一瀉千里,隨著利潤(rùn)大幅壓縮,農(nóng)場(chǎng)主找起了省錢的法子。本來人工是他們的一大開支--美國的農(nóng)場(chǎng)平均有42%的生產(chǎn)成本是花在人力上的。農(nóng)場(chǎng)主改造了葡萄酒生產(chǎn)商的收割機(jī),將它運(yùn)用到了自己的農(nóng)場(chǎng)當(dāng)中。到2007年,加利福尼亞州已經(jīng)有將近一半的葡萄干是機(jī)器收割的了。曾經(jīng)有5萬之眾的工人隊(duì)伍,現(xiàn)在也縮減到了3萬人。

　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人或許對(duì)仰仗土地維生的勞工來說不是什么好消息,對(duì)農(nóng)場(chǎng)主又如何呢？雖然有研究指出,機(jī)器人擠奶對(duì)于牧場(chǎng)的整體收益沖擊不大,但是機(jī)器畢竟為奶農(nóng)省去了每天擠奶的苦工。布萊克摩爾的計(jì)算則顯示,農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以帶來可觀的經(jīng)濟(jì)利益,比如在谷物地和甜菜地里,機(jī)器人就能將每公頃的除草成本減少約兩成。對(duì)經(jīng)營有機(jī)農(nóng)場(chǎng)的人來說,機(jī)器人的收益就更大了,因?yàn)閯趧?dòng)力在他們的總成本中所占的比重達(dá)到5成以上。對(duì)丹麥有機(jī)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)研究指出,即便在計(jì)算了機(jī)器的購買和維修費(fèi)用之后,農(nóng)業(yè)機(jī)器人依然能將去除雜草的成本減去一半之多。

未來的農(nóng)業(yè)機(jī)器人,將不再是拖拉機(jī)那樣又笨又重的外形,而應(yīng)該是成隊(duì)作業(yè)的輕型自動(dòng)機(jī)器人。圖片來源：cropscience.bayer.com

機(jī)器人農(nóng)場(chǎng)

　　約翰.斯特萊德(John Stride)任職于支持有機(jī)農(nóng)業(yè)的英國土壤協(xié)會(huì),了解到機(jī)器人技術(shù)能夠減少農(nóng)藥的使用,他感到相當(dāng)興奮。不過他也提醒說,其中的風(fēng)險(xiǎn)同樣值得研究。他說：“要不要引進(jìn)任何新的技術(shù),就要看我們能不能把它的好處給說清楚。”

　　比如,農(nóng)業(yè)機(jī)器人到底能不能降低食品價(jià)格？布萊克摩爾認(rèn)為,只能說也許。決定食品價(jià)格的因素多種多樣,從氣候到超級(jí)市場(chǎng)的價(jià)格戰(zhàn),都有可能使價(jià)格或升或降。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,自動(dòng)化是否就能使果蔬變得便宜,這一點(diǎn)是很難斷定的。但是降低了在農(nóng)耕中投入的能量,我們至少就有機(jī)會(huì)把農(nóng)產(chǎn)品的價(jià)格降下來。

　　除此之外,農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用還可能在超市中造成其他變化。在英國赫爾大學(xué)研究農(nóng)業(yè)的路易斯.哈羅維(Lewis Holloway)指出,用機(jī)器人擠奶可能會(huì)影響奶牛的基因組成,因?yàn)槟剔r(nóng)會(huì)挑選那些“對(duì)機(jī)器人友善”的奶牛,也就是乳房形狀、甚至性情都投合自動(dòng)化的奶牛,并且用它們來繁殖后代。他還指出,根據(jù)同樣的道理,農(nóng)業(yè)機(jī)器人或許還會(huì)影響進(jìn)入商場(chǎng)的水果和蔬菜的種類,因?yàn)檗r(nóng)民或許同樣偏愛那些適宜自動(dòng)化的作物,比如葉片形狀不容易被機(jī)器人認(rèn)作野草的,就有可能受到青睞。

　　還有一件事很難避免：這些機(jī)器最終將改變田園的景觀。蘇卡黎認(rèn)為,等到人們?cè)谠O(shè)計(jì)農(nóng)場(chǎng)時(shí)就將農(nóng)業(yè)機(jī)器人考慮在內(nèi)的時(shí)候,機(jī)器人農(nóng)業(yè)的春天就真正到來了。到了那時(shí),田地將重新分割成小塊,作物將種植成一格一格,而非一列一列,果樹也會(huì)修葺成二維的形狀,以方便采摘。雖然由機(jī)器人培養(yǎng)的這種奇怪的幾何形農(nóng)田還不會(huì)馬上出現(xiàn),但是正如蘇卡黎所說,“它總有一天會(huì)出現(xiàn)的。”

　　凡.亨登也同意這個(gè)說法,他回憶道：“我們?cè)谏鲜兰o(jì)90年代中期開始試驗(yàn)機(jī)器人技術(shù)時(shí),農(nóng)民的態(tài)度是嘲笑和懷疑的。可是當(dāng)我們展示了一臺(tái)黃瓜收割機(jī)之后,他們就立刻來問我們明天能不能購買了。”