Новое поколение роботов помогает агрономам формировать будущий урожай

Гириш Чоудхари, сельскохозяйственный инженер из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, наклоняется, чтобы поместить маленького белого робота под названием TerraSentia на экспериментальное поле. Внешне робот напоминает усовершенствованную версию газонокосилки с вездеходными колесами и камерами высокого разрешения.

Почти так же, как и беспилотные автомобили, TerraSentia ориентируется в пространстве, отправляя тысячи лазерных импульсов для сканирования окружающей среды. Несколько щелчков на планшете — все, что нужно для запуска робота. «Он будет измерять высоту каждого растения», — поясняет Чоудхари.

TerraSentia способен и на большее. Робот предназначен для создания максимально детального портрета поля: от размера и состояния растений до количества и качества початков, которые каждое кукурузное растение даст к концу сезона. Эта информация позволит агрономам улучшить урожай в будущем. В дополнение к высоте растения, TerraSentia может измерять диаметр стебля, площадь листьев и «количество выживших», то есть количество плодоносящих растений. Чоудхари работает над добавлением в этот список дополнительных признаков с помощью коллег из EarthSense, компании, которую он создал для развития роботов TerraSentia.

Традиционно селекционеры измеряли эти параметры вручную и использовали их для отбора растений с наилучшими характеристиками для создания гибридов. Появление секвенирования ДНК позволило изолировать гены по некоторым желательным признакам, но селекционерам по-прежнему нужно оценивать, действительно ли гены, выделенные из предыдущего поколения, привели к улучшениям в следующем.

Расцвет роботов

«Идея состоит в том, что роботы могут автоматизировать процесс фенотипирования и сделать эти измерения более надежными», — отмечает Чоудхари. Таким образом, TerraSentia и аналогичные ей компании из сферы робототехники могут оптимизировать работу ферм эффективнее, чем люди в одиночку.

Автоматизация всегда была важна для сельского хозяйства, начиная от первых сеялок до современных зерноуборочных комбайнов. Сельскохозяйственное оборудование теперь регулярно оснащается датчиками, которые используют машинное обучение и достижения робототехники в том числе для выявления сорняков и вычисления объема гербицидов для них, а также для обнаружения и сбора клубники.

В последнее время появилось много более мелких и ловких роботов. В 2014 году французская компания Naïo выпустила 10 прототипов робота по имени Oz, длина которого достигает всего трех футов (примерно 91 см). Он собирает параметры овощных культур, одновременно уничтожая сорняки. EcoRobotix, базирующаяся в Швейцарии, производит робота на солнечной энергии, который быстро идентифицирует сельскохозяйственные культуры и сорняки. Производитель бытовой техники Bosch также протестировал робота BoniRob для анализа почвы и растений.

«Внезапно люди начали понимать, что инструменты для сбора и анализа данных, разработанные во время технологического бума 90-х годов, можно использовать и  в сельском хозяйстве», — отмечает Джордж А. Кантор, старший системный специалист в Университете Карнеги-Меллона, разрабатывающий инструменты для оценки урожайности.

TerraSentia — один из самых маленьких сельскохозяйственные роботов, доступных сегодня. При ширине 12,5 дюймов (примерно 32 см) и примерно такой же высоте 30-килограммовый робот хорошо подходит для изучения различных агрокультур.

Данные, собранные TerraSentia, превращают селекцию из реакционного процесса в процесс прогнозирования. Используя передовые навыки машинного обучения, ученые могут сопоставить влияние сотен и даже тысяч факторов на будущие черты растения, подобно тому, как врачи используют генетические тесты, чтобы понять вероятность развития у пациента рака или диабета.

«Используя фенотипирующих роботов, мы можем вычислять наиболее урожайные растения еще до того, как они сбросят пыльцу», — уточнил Майк Гор, биолог из Корнельского университета. Он добавил, что в перспективе это может вдвое сократить время, необходимое для выращивания нового сорта, — примерно с восьми лет до четырех.

Заполнение ниши

Требования к сельскому хозяйству растут по всему миру. ООН ожидает, что к 2050 году население планеты увеличится до 9,8 млрд человек, а к 2100 году — до 11,2 млрд. Чтобы прокормить мир — с меньшим количеством земли и ресурсов, а также изменяющимся климатом — производителям придется стать более подкованными в технологиях.

Сельскохозяйственные гиганты в этом заинтересованы. Corteva, которая появилась в результате слияния Dow Chemical и DuPont в 2016 году, проводит испытания TerraSentia на своих полях по всей территории США.

«У этого робота определенно есть своя ниша, — считает Нил Хаусманн, курирующий исследования и разработки в Corteva, — он предоставляет стандартизированные объективные данные, которые мы используем для принятия многих решений. Мы используем его для селекции и улучшения продуктов, а также для вычисления, какие продукты являются лучшими, какие из них следует продвигать, какие из них подойдут разным частям страны».

Чоудхари и его коллеги надеются, что партнерство с крупными агробизнесом и академическими учреждениями поможет субсидировать роботов для мелких фермеров. «Наша цель — сделать так, чтобы их цена не превышала тысячу долларов», — сказал он.

Чоудхари подчеркнул, что фермеры не нуждаются в специальных знаниях для работы с TerraSentia. Робот почти полностью автономен. Фермерам с тысячами акров земли понадобятся несколько роботов, но фермеру с пятью акрами будет достаточно одного. TerraSentia уже прошел испытания на полях с самыми разными агрокультурами, включая кукурузу, сою, хлопок, пшеницу, помидоры, клубнику, цитрусы, яблоки, миндаль и виноград.

Но некоторые эксперты не уверены, что такие роботы действительно будут доступны для небольших ферм. «Что касается мелких фермеров в странах Африки к югу от Сахары, в Южной Азии и в некоторых частях Латинской Америки, то там существует множество препятствий для внедрения новых технологий», — предупредил Кайл Мерфи, специалист по развитию сельского хозяйства из Лаборатории по борьбе с бедностью Абдула Латифа Джамиля в Массачусетском технологическом институте.

Мерфи добавил, что, скорее всего, такие роботы, как TerraSentia, будут косвенно помогать мелким фермерам, участвуя в выведении более качественных агрокультур.

Дорога к улучшению

TerraSentia необходимо усовершенствовать еще несколько навыков. Время от времени он спотыкается о ветки и другие преграды или застревает в почве, поэтому пока ему нужен наблюдатель. «Надеюсь, к следующему году мы сможем улучшить TerraSentia так, чтобы фермеру не пришлось находиться в поле», — сказал Чоудхари.

На данный момент скорость TerraSentia не превышает одну милю (примерно 1,6 км) в час. Это позволяет камерам фиксировать небольшие изменения, чтобы измерять площадь листьев и распознавать признаки заболеваний. Чоудхари и его коллеги из EarthSense рассчитывают, что модификация камер позволит увеличить скорость робота.

Команда также разрабатывает станцию, которая будет очищать и заряжать TerraSentia после работы. Пока все это нужно делать вручную.

Главный офис EarthSense в Урбане, штат Иллинойс, полон ранних версий роботов, которые не оправдали ожиданий. В первых прототипах TerraSentia не было подходящей подвески, поэтому робот подпрыгивал и прерывал видеозапись всякий раз, когда оказывался в глубокой колее. Другая версия плавилась от тепла, вырабатываемого двигателем. Разработчикам пришлось отказаться от пластмассы и добавить металлическую защиту.

Ранние, уже потрескавшиеся модели теперь лежат на полке, как на музейной витрине: напоминание о необходимости улучшений, но также и об интересе, который вызвал робот.

«Многие люди, которые пробовали ранние прототипы, все еще возвращаются к нам, даже после владения постоянно ломающимися роботами, — рассказал Чоудхари, — вот насколько сильно фермеры в них нуждаются».

Источник.

Фото: Институт геномной биологии Иллинойсского университета