Роботизирано опрашване

Едни малки същества с жило пчелите, играят решаваща роля в селското стопанство чрез опрашването на безброй култури. Без тях много от плодовете и зеленчуците биха изчезнали, а на фона на намаляващата от година на година пчелна популация, картината става все по-сериозна. Развитието на роботизираните технологии имат потенциала да помагат в тази посока. Дали това е правилна посока за развитие и в каква степен е въпрос, който предстои да бъде разискван. Това е и темата, на която ще се спрен в този брой и в бъдещите броеве на списание АгроБио Техника.

Текст: списание АгроБио Техника

Намаляването на естествени опрашители заплашва глобалното производство на храни по света, което затруднява изхранването на непрекъснато нарастващото човешко население. Според американската служба по горското стопанство около 80% от всички цъфтящи растения се нуждаят от помощ от животни за опрашване. Климатичните промени, разрушаването на естествените местообитания и повсеместното използване на пестициди се сочат като ключови източници на проблема. Без опрашителите много култури изобщо не могат да се размножават.

Заради неумолимото намаляване на естествените опрашители в последните няколко години на много места по света се правят опити за изкуствено опрашване чрез роботи. Роботите не са новост във фермите. Вече добре познати са тракторите с автономно, автоматизирано управление. Има роботи за бране на ябълки и домати, за преместване и сортиране на разсадите на декоративни цветя и други. Но автоматизирането на опрашването чрез машини е все още млада идея в света на селскостопанската роботика.

Времена на експерименти

Роботите за опрашване, с които се експериментира днес, имат най-различни разновидности. В повечето случаи те изобщо не изглеждат като пчела киборг, с металическо тяло и моторни крилца, макар че има и модели, които се стремят да имитират насекомите. Някои от разработките представляват самоходни машини с размер и форма приблизително колкото голяма косачка за трева. Разполагат с механични рамене, най-често две или четири, простиращи се от двете страни на апарата. Рамената се пъхват между растенията. След това извършват опрашването, например като започнат да вибрират, предизвиквайки освобождаване на цветен прашец.

Нивото на вибрация би трябвало да имитира действието на крилете на пчелата. Друга изпробвана версия са самоходни машини, чиито протягащи се ръце обработват цвят по цвят подобно на ръчното опрашване. Такъв робот може да има 2, 4 или 6 ръце, даже и повече. Машината се доближава до всяко от растенията, за да  започне да размахва шестте си рамена и да обработва цветовете. Колкото повече са изкуствените ръц“, толкова по-ефективна е работата. Броят на действащите работни рамена е важен и поради факта, че някои цветове може да са на труднодостъпни места и в такива случаи може да се наложи роботът да използва две ръце: с едната да захване клонката, а с другата да опрашва цвета. И в двата случая работата на самоходните машини започва с картографиране на околната среда във фермата. След като има обща представа за обстановката, роботът може да заснеме и анализира растенията, за да оцени тяхната готовност за опрашване.

Наскоро японски учени пък създадоха мини дрон, който е с размер на насекомо, предназначен именно за изкуствено опрашване. Покрити с четина от конски косми и специален гел, тези микророботи с размер на стотинка могат да събират и пренасят прашец от цвят на цвят. Значителна част от разработените роботи за опрашване са създадени от екипи на фермери и инженери. Някои модели дори вече се предлагат за продажба. Офертите идват найвече от страни като Израел и САЩ. Най-често машините са базови и са способни да се справят с опрашването на конкретен вид насаждения, например домати или пък бадемови дървета.

Друга, по-малка част от проектите са дело на учени, както е в случая с японските робонасекоми. В такива случаи робопчелите са по-скоро обект на лабораторни изпитания.  Какво позволяват технологиите? Съвременните технологии би трябвало да правят възможно роботизираните опрашители да правят доста неща, които само допреди 10-15 години бяха немислими. Най-базовото от тях е възможността за прецизна автономна навигация благодарение на точните GPS системи. Чрез тях може също така работниците във фермата да проследяват третираните площи.

Навлизането на LIDAR технологията също благоприятства създаването на роботи опрашители. Тя действа подобно на радар, с тази разлика, че използва инфрачервени импулси, за да „вижда“ околните обекти. Алгоритми с изкуствен интелект правят възможно т.нар. компютърно зрение – точно разпознаване на цветовете на растенията, за да се насочат роботизираните ръце към тях. Тези AI алгоритми различават целевите растения от нежеланите, а също така разпознават подходящо цъфналия цвят. Сензорните технологии пък правят възможно прецизното измерване на температура, влажност и интензивност на слънчевото греене. Това, в съчетание с AI алгоритмите, дава ясна представа за най-подходящите условия за извършване на опрашването, така че то да се изпълнява в най-благоприятните дни.

Към удобствата следва да добавим и AI технологиите за координирано управление на рояци от дронове. Този механизъм прави възможно десетки и дори стотици дронове да летят едновременно, в пълен синхрон, без да се сблъскат, без да си пречат, без да повтарят една и съща дейност. Батериите също се усъвършенстват постоянно. Увеличаването на тяхната енергийна плътност позволява все по-малки акумулатори да осигуряват енергия все по-продължително. Това е особено ценно за мини дроновете, които имитират дейността на медоносната и дивата пчела. С две думи, технологиите дават добра основа за създаването на селскостопански роботи за автоматизирано изкуствено опрашване.

Грантове и финансиране

Редица грантови програми осигуриха финансиране за разработването на роботи за опрашване през последните няколко години. Така например още през 2020г. Министерството на земеделието в САЩ осигури грант в размер на един милион долара за разработване на роботи за опрашване. По тази програма финансиране получиха екипи от държавния университет във Вашингтон, държавния университет в Западна Вирджиния и др.

Университетът „Лоуел“ в Масачузетс получи безвъзмездна помощ от 840 хиляди долара от програмата научната програма „Човешки граници“. По този проект екипът работеше съвместно с колеги от Университета в Стърлинг във Великобритания. През 2021г. в Израел новостартиращата фирма Arugga спечели 4 милиона долара за своите роботи за опрашване на закрито – все от частни инвеститори.

Предизвикателства

Въпреки добрата технологична основа и набъбващото финансиране, цената на работата със съществуващите роботи опрашители е висока, според някои изчисления тя е около 300 долара за акър насаждения. Високата цена е проблем. Но дори и да не беше тя, предизвикателствата за робоопрашителите са много. Основен, но не единствен фактор за това е, че всяко растение има различни особености. Най-малкото насажденията имат различна височина и гъстота. Най-лесни за изкуствено опрашване като че ли са слънчогледите – с големите си, едри пити те са достъпни и за роботи, и за дронове.

Друг чест сценарий за разработването на опрашване са доматите. Те имат и това предимство, че често се отглеждат в оранжерии, което позволява използването на съпътстващо оборудване – WiFi мрежа, камери, външни датчици. Част от разработките пък са насочени към дръвчета от един или няколко вида. Специализирани роботи има и за опрашване на боровинки и нискорастящи видове горски плодове. Като цяло повечето роботи опрашители имат тесен фокус на действие от гледна точка на видовете, с които могат да работят.

Освен височината и гъстотата, според изследователите, повечето растителни видове имат и допълнителни специфики. Например, някои насаждения разчитат повече на въздушното пренасяне на полена, докато други изискват повече директен контакт с опрашителя – подобно на естествения метод, изпълняван от пчелите. Натискът и вибрациите при контакта с цветовете също са различни. Те изискват фин досег, който е много трудно да бъде имитиран с каквато и да е машина. Някои учени сравняват процеса на опрашване с роботизирана хирургия. Едно неправилно движение може да увреди цвета непоправимо.

Предизвикателство са и климатичните условия. В оранжерия те са предвидими и контролируеми, но не така е в откритото поле. Калта след дъждове може да е неблагоприятно условие за самоходните роботи, а вятърът остава предизвикателство за дроновете-опрашители, които са дребни и изключително леки.

Аргументи за и против

Въпреки технологичния напредък, роботизираното опрашване далеч не е в състояние да замени пчелите за ефективно опрашване на културите, настояват мнозина учени. Докато технологията се движи в посока безпилотни летящи роботи, способни да вземат сложни решения в движение, те все още са твърде тромави и непрецизни. А цветовете представляват „мултимодални сензорни билбордове, включващи форма, цвят, аромат и дори иридесценции, които се откриват, приближават и манипулират от пчелите за събиране на прашец, нектар и други флорални награди чрез неу/ологични и поведенчески реакции, които все още са слабо разбрани“, пишат учените. 

Осигуряването на ефективно кръстосано опрашване изисква много повече от поемане на технологичното предизвикателство за проектиране на робот или мини дрон, който да минава от цвете на цвете и да събира част от наличните поленови зърна. Има повече от 350 000 вида цъфтящи растения на планетата и всички те взаимодействат по множество уникални начини с животните. Друг аргумент е, че роботите не са и скоро няма да станат икономически жизнеспособна алтернатива. Опитвайки се да заменим съществуващата екосистемна услуга по опрашване с флотилии от роботи е икономически неизгодно, гласят някои анализи: дори ако технологията би била идеално работеща, цената вероятно ще бъде напълно непосилна.

При скромните десет долара за робопчела например, общата инвестиция ще бъде над 100 милиарда долара за опрашване на площта на култури, каквито се отглежда в момента по света. И тази стойност не включва разходите за ремонт на хардуер и инфраструктура за поддръжка, командване и контрол. Според изследователите, би имало смисъл робоопрашване да се използва само в специфични ниши, т.е. в производството на храни от малък брой специализирани култури, за които в момента няма управляеми опрашители. Същото важи и за използването на роботизирано опрашване във вертикални ферми, които са затворени и много чувствителни към потенциални зарази. 

Съществува и съображението, че идеята ще коства неприемливо високи екологични разходи – енергия, въглерод, вода и добив на материали, в т.ч. извличане, транспортиране и обработка на суровините, както и поддръжка и ремонтиране и свързаната с тях инфраструктура. В крайна сметка екологичният отпечатък на всичко това не би бил съвместим с идеята за нисковъглеродния живот. 

Не на последно място, да се разчита на роботизирани пчели всъщност може да доведе до голяма продоволствена несигурност. Докато финансираните проекти ни рекламират заместването на реалното разнообразие от прашители с роботизирани устройства, в действителност този подход може да увеличи уязвимостта заради технологична повреда или кибератака. Какво ще стане, ако някой хакне системата от опрашващи роботи или киберпчели? 

Най-сетне, фермерите с ниски доходи представляват повече от 2 милиарда души. Всички те разчитат на дребно селско стопанство в развиващите се страни и е трудно да се измисли как тези производители биха могли да си позволят роботизирани услуги за опрашване, като се има предвид, че им е трудно да купуват дори основни селскостопански продукти.

Ползите от роботизирано опрашване

Има опрашители по цялата планета и те вече вършат ефективна работа по опрашването на културите, на които разчитаме за храна. Като се има предвид, че някои от тях намаляват, най-рентабилната стратегия е да защитим опрашителите, които вече имаме, препоръчват повечето изследователи от сферата на роботизираното опрашване. Трябва да поддържаме и управляваме устойчиво ландшафтите и земеделието, за да увеличим броя на естествените опрашители. 

Дори мнозина от тези учени, които разработват изкуствени опрашители в институти и университети, признават, че работата им е по-скоро проучвателна и тя сочи, че има много повече смисъл да опазваме естествените опрашители, отколкото да се мъчим да изработим техни заместители. 

Вместо да влага колосални суми за изобретяване на машини за опрашване, обществото би могло да използва парите, за да приложи утвърдени и доказано работещи решения за защита на местообитанията на естествените опрашители, намаляване на заплахите за опрашителите и насърчаване на благоприятна за биологичното разнообразие околна среда, като по този начин защитава героите на природата, вместо да се опитва да ги замени. Иновативните методи на прецизното земеделие – такива като роботизираното плевене с машина, могат значително да намалят използването на хербициди, като по този начин се подпомага поддържането на биоразнообразието. 

Много от изследователските екипи признават, че не разработват робоопрашители с идеята да заменят пчелите. По-скоро търсят план Б в случай, че популацията на дивите опрашители продължи да намалява. Има и две странични ползи от работата по проектите за роботизирани опрашители, според учените. Събирането на данни е едната от тях. Надали някога човекът ще успее да създаде ефективен механизъм, който да имитира естествените опрашители достатъчно качествено, но данните, които роботите ще съберат при работата си от цвят на цвят, могат да донесат знание, което досега човечеството не е имало възможност да събере. 

Изграждането на космически оранжерии е другата, по-далечна перспектива. Усилията за създаване на обитаеми кампуси в Земната орбита, на Луната и на Марс привличат все повече инвестиции. Но в тези изкуствени обиталища за първите заселници извън Земята растенията биха могли да се опрашват само изкуствено. 

Перспективи

От днешна гледната точка роботизираното опрашване представлява иновативен подход към решаването на проблема с намаляващите естествени опрашители, които са критично важни за глобалното производство на храни. Въпреки значителния технологичен напредък обаче, роботите все още не могат напълно да заменят пчелите и другите природни опрашители поради технически и икономически предизвикателства. В момента, роботите за опрашване са по-скоро нишово решение, подходящо за специфични култури или контролирани условия като вертикални ферми и оранжерии.

Бъдещите перспективи в тази област могат да бъдат разнопосочни и предизвикателни, както искаме да вярваме че те ще развиват в посока, където естествени опрашители не могат да бъдат налични. Затова и мнозина експерти препоръчват усилията и инвестициите да бъдат насочени към опазване и възстановяване на естествените опрашители, които вече изпълняват тази задача ефективно, като се избягват потенциални екологични и икономически разходи, свързани с използването на роботи.