为可持续农业培育机器人和人工智能

你的下一顿饭从何而来?你可能知道，但成千上万的人不知道。食品供应链正面临危机。人口增长、劳动力短缺以及几个世纪以来的过度耕作和环境滥用威胁着我们最基本的需求之一。

农业可持续性问题是一个人的问题。但也许是机器人拯救了人类。这个浆果种植者想要他的草莓采摘机器人成为他的遗产。

自动化和人工智能将有助于缓解农业劳动力老龄化的影响，以及寻找不那么繁重工作的田野工作者数量的减少。自动驾驶农业机械及自主的无人机这意味着农民可以花更少的时间观察面前的道路，而更多的时间关注前方的道路，以获得更可持续的收成和利润。数据挖掘和预测分析将成为贸易的通用工具，使农民能够做出更好的决策，最大化资源和优化产量。

自导向组合使用传感器融合，机器人和人工智能自动化许多收获任务的精确农业。(由约翰·迪尔提供)

机器人和机器学习正在帮助促进新的、更可持续的农业方法，把农业带进室内并达到新的高度，以节约资源、减少化学品和缩短上市时间。有了来自传统种植者、温室和垂直农民的更可持续、更新鲜的选择，世界人口应该能够吃得更好、更清洁、更聪明、更实惠。

未来的农场是高科技的，信息更丰富，有能力用更少的资源生产更多的产品，为我们所有人创造一个更可持续的未来。

“铁牛”(Iron Ox)在建造农场时考虑了机器人技术和人工智能。与其说是农场，不如说是精益工厂，这些机器人在没有农民的情况下种植粮食．

稍后，我们将探索另一家着眼于新的、可持续的农业方法的初创公司，准备颠覆农业。

首先，我们将参观农业技术的爷爷。从19世纪的行走犁到了燃气动力拖拉机的出现，现在AI动力机器人结合了管理作物健康到内核水平，这一农业创新者已经掌握了时间。

从犁到精准农业，永远的先锋

1837年，伊利诺斯州的铁匠约翰·迪尔(John Deere)用折断的锯片制作了第一台商业上成功的铸钢犁。高度抛光的钢材和轮廓设计使犁成为中西部原始草原上厚粘土土壤的理想工具。迪尔的发明为他的同名公司奠定了基础。他不知道的是，一个多世纪后，他的犁从史密森学会的1.37亿件文物中被选中，出现在“创造美国的101件物品”的名单上，改变了美国历史的进程。

约翰迪尔是全球农业、建筑和林业机械制造商，拥有超过180年的历史，年销售额达到374亿美元。总部位于莫林的《财富》500强公司以其不断提供创新产品和服务来支持与土地相关的产品而闻名于世。2017年，迪尔发布了最新的智能谷物收获技术S700系列联合收割机。

迪尔精密农业集团自动化战略负责人乔尔·赫根特说:“它实际上是利用图像来识别单个玉米粒受损的情况。”“机器人知道如何调整联合收割机，以确保单个核不受损。”

s系列在今年1月的拉斯维加斯消费电子展上引起了巨大的轰动。运动迪尔的标志性的绿色和黄色组合，巨大的多吨的组合停止了消费电子展的观众。但是，一个“拖拉机”在消费电子产品贸易展上做什么呢?

这不是一台普通的机器。联合收割机配备了机载机器人和人工智能，并具有自动驾驶功能。观看S700系列的结合工作．

无人驾驶相结合

但真正令人惊叹的是什么呢?自动驾驶对迪尔来说并不新鲜。这家农业巨头涉足自动驾驶技术已经有20年了!

1999年，迪尔收购了NavCom技术公司，这是一家先进GPS技术的早期创新者。四年后，迪尔公司推出了AutoTrac™导航系统，该系统使用带有实时运动学(RTK)校正的GPS精确地引导大型农业机械通过田野。

自2003年推出AutoTrac以来，迪尔增加了机械传感器和视觉传感器(摄像头)，以识别作物行，并确保喷雾器和收割机在行之间行驶，不损害作物。传感器融合是将来自GPS接收机、机械传感器和视觉传感器的信号进行融合，实现自动转向。

自导向组合使用传感器融合，机器人和人工智能自动化许多收获任务的精确农业。(由约翰·迪尔提供)

如今，迪尔公司的大多数大型农业设备都具有“自动驾驶能力”。

Hergenreter说:“我们将一台20吨重的机器通过油田的精度降低到不到英寸。”“正是GPS接收器让我们能够达到近英寸的精度。我们的产品遍布一百多个国家。

“我们的农民现在每天可以用他们的设备耕种14到20个小时，在一年的关键时期，天气窗口对特定的操作非常紧张。以前，他们会因为长时间的工作而感到疲劳，这将导致他们不得不在这些紧闭的窗户期间停止种植或喷洒农药。AutoTrac可以让他们在一天中更早开始工作，而在晚上工作的时间更长。”

尽管驾驶员仍在驾驶，但自动化可以在狭窄的作物行中实现更高的准确性。当人类累了，可重复性和准确性就会受到影响。

Hergenreter说:“有了额外的传感器，我们可以让农民的操作速度提高50%。”“现在有些人可以以每小时10或12英里的速度通过田地，而不是以每小时8英里的速度行驶，这确实提高了他们一整天的生产力。”

驾驶员仍然需要在驾驶室里工作，因为还有很多任务需要自动化完成。首先是转向。现在，有了更多的传感器输入、机器人和人工智能，迪尔正朝着确保作物健康的方向发展，一株一株地种植。

AI-Enabled除草

人工智能助力精准除草。使用机器人技术和机器学习，农民可以精确地确定化肥和除草剂的使用情况。

2017年，迪尔公司收购了Blue River Technology公司，该公司开发了生菜机器人、自动除草喷雾器，是迪尔公司最新系统的先驱。下一代参见&喷涂技术利用计算机视觉和机器学习以及先进的机器人技术来区分作物和杂草，并且只喷洒杂草。

“这台机器处理图像的速度是每50毫秒一个图像，”Hergenreter说。“它将这些实时图像与拥有30多万张图像的图像库进行比较，确保只有杂草被锁定。”

这大大减少了除草剂的使用量。据田间试验报告，使用的除草剂仅为过去所需的10%。这个概念可以反过来，只对需要的植物精确施肥，从而在优化产量的同时减少浪费。

大数据有助于更好的决策，更好的收成

数据是农民最有价值的资产之一。精准农业依赖于大数据。今天的农民可以使用基于网络的工具来帮助他们制定处方或地图，以确定在特定区域施用多少化肥。然后，处方可以被发送到喷雾器上，并在它通过田间时使用GPS，喷雾器会自动调整速度，以确保在特定区域施用适量的肥料。

所有这些数据交换都需要大量的计算能力。迪尔公司不仅要借助先进的机器人和人工智能技术，从传统农业向精准农业转型，他们还转变了自己的知识库和资源，以支持物联网解决方案、移动应用程序和云服务。

Hergenreter说，计算在两个层面上进行。一个是在农机本身，喷雾器，收割机或其他机械。

“任何我们可以在机器上计算并关闭循环的东西，我们都做了。但我们也有基于云计算的解决方案，即约翰迪尔运营中心(John Deere Operation Center)，它允许我们的客户通过我们的4G LTE网络将所有数据从他们的机器发送回云计算。基于云的解决方案允许客户备份他们的信息。它还可以让他们看到他们的农场发生了什么，了解什么在他们的农场的特定区域行得通，什么行不通。它还能促进协作。”

农民有很多值得信赖的顾问。无论他们是在土壤管理和作物生产科学方面提供专业知识的农学家，还是他们的约翰迪尔经销商，或他们的银行或种子代表，这些顾问帮助农民做出他们的日日夜夜的决定。云计算允许农民和他们信任的顾问之间的数据共享和协作。

“约翰迪尔运营中心也有一个网站，允许客户独立查看不同的图层，并开始组合图层，以了解不同的影响，如湿度和土壤类型，如何影响产量。我们也有移动业务。因为农民经常在他们的田地里或在他们的皮卡车上，他们可以在路上看到同样的信息。”

在驾驶室内，驾驶员座舱同样先进，有操纵杆控制和触摸屏，提供各种数据和实时调整变量，如作物状况、粮仓水平、机器诊断和性能指标。有了先进的自动化机器，农场变成了车轮上的工厂。

“农民的生意实际上是一个田地网络。每一块地都有数百万株植物。我们的目标是确保这些植物的每一个都达到最大的潜力，”Hergenreter解释说。“现在，许多农场都是在田间管理。通过我们正在讨论的技术——视觉传感和软件处方——我们可以开始创建计划，让我们的客户更接近工厂级的管理。”

直观的触屏显示技术可以让操作人员随时掌握大量的实时数据和分析工具，这样他们就可以在现场作业时监控、调整和学习机器。(由约翰·迪尔提供)

在北美各地，农民们正在接受这项技术，并信任这些数据。看看Woolliams家族农场是如何使用科技的做出更明智的决定，改善运营。

“为了充分发挥他们的潜力，农民必须在他们生长的过程中管理他们的每一株植物。通过技术，我们允许农民将更繁重、更可重复的操作转移到他们的设备上，”Hergenreter说。“我们的目标是让他们产生更一致的结果，尽管所有变量，不只是天气，还有气候、土壤和农民每天遇到的所有其他变量。更好的决策使他们能够更有效地利用自己的时间、设备和土地。我们正试图优化产量。”

精准农业是在控制成本的同时优化产量，促进和保持可持续性。这包括保护环境。保护土地、水和空气，减少浪费。减少农药、化肥和其他化学品的使用，减少燃料消耗，减少碳排放，节约更多的自然资源和能源。地球未来的几代居民将依赖它。

联合国预测，到2050年，世界人口将从目前的76亿增长到98亿。从这个角度来看，全球收获倡议(GHI)预计，世界粮食生产国将需要增产70%，以适应人口增长。

GHI估计，从2005年到2019年，农业就业人口预计将减少5800万人，减少11%的农业劳动力。这给试图寻找熟练劳动力来提高产量的农民带来了重大挑战。农业将需要学习如何用更少的钱做更多的事，采用更有效和可持续的生产方法。机器人技术和人工智能可以开辟一条通往更光明未来的道路。

工业机器人的自动收获

一家新创业公司的目标是帮助种植者实现这些可持续发展目标。马萨诸塞州波士顿的Root AI带来了一个独特的工具箱来迎接挑战。

Root AI于2018年推出，利用传统和专有的机器人硬件与复杂的软件相结合，扩展工业机器人增值的领域。农业机器人通常涉及针对特定任务或特定作物的定制设备。Root的解决方案是一个模块协作机器人在农场里工作，用人工智能让它更聪明。

Virgo机器人收获系统是一个标准的工业级合作机器人，它在一个移动平台上结合了计算机视觉、用于抓取各种新鲜农产品的定制末端工具和机载智能，使其能够在野外完成灵巧的工作。

精密的视觉传感、人工智能和定制的末端工具使机器人能够直接从藤上收获成熟的果实。(Root AI提供)

联合创始人兼首席执行官乔希·莱辛(Josh Lessing)表示，Root特别关注系统的大脑，即人工智能技术。最近算法的进步，特别是用于在复杂环境中寻找单个物体的计算机视觉软件，已经成为游戏规则的改变者。

“AI是我们的拼图的大片。当你谈论农业时，这是一个紊乱的环境，“解释说。“所有这些计算工具都开始出现，这可以以以前从未完成的方式找到这种环境中的东西。Simultaneously, chip producers started creating ‘system-on-modules’ (or SoMs, also called computer-on-modules or CoMs, that are complete computers built on a single circuit board), which deliver a lot of computing power to a robot without requiring an internet connection. And you can do it in a way that consumes very little power.”

电池管理和车载计算能力对于像Root的Virgo这样可以在现场工作的移动平台非常重要。SoMs也变得越来越便宜，同时以节能的方式提供更高水平的计算。

“这是强大的。这使我们能够将人工智能带入战场。”“计算机视觉算法无法触及物理世界，它们只能看着它。机器人是桥梁，在Root，我们正在构建机器学习算法，使机器人能够在复杂的现实环境中从事体力工作。”

面向抓取规划的机器学习

对于机器人抓住的东西,与之交互作用,机器人不仅需要能够识别环境中的事物,然后它需要了解这些环境中的对象与另一个身体上,他们彼此连接的方式,就像葡萄树的水果或蔬菜。然后系统需要了解这种关系是如何告知机器人如何抓住并将物体从环境中移走的。把握计划是一个必不可少的要素。

Root与一组种植者密切合作，允许初创公司使用他们的设施进行产品测试。种植者提供实验反馈，以及机器人收获系统所需的特征类型，以提供更大的价值。

看处女座收获番茄在种植者的温室设施。这个“农民助手”可以日夜工作，沿着一排植物从一棵藤移动到另一棵藤。

Root正在使用人工智能和机器学习来教他们的机器人新技巧。每天，机器人都在收集数据。这些数据用于确定更智能的选择策略，Root使用这些策略来更新软件。

“我们一直在更新软件。我们让它变得更聪明。明年当这些机器人在农场每天工作时，当机器人充电时就会发生更新。”届时，机器人上用于改善行为和性能的数据将被推送到云端，软件更新也将被下载到机器人上。通常当你购买资本设备时，最好的一天是第一天。如果你有能力基于云数据进行软件更新，然后将这些更新推送到舰队中，你就可以让一个单位一天天变得越来越好，所以最好的日子还没有到来。”

供应特产作物

Virgo正在美国的室内农场进行产品测试。目前，这个机器人正在大型商业温室里采摘成熟的番茄。但是Root公司把目光投向了其他特殊作物，比如草莓、覆盆子、黄瓜、辣椒、茄子、甜瓜、葡萄和鳄梨。根据莱辛的说法，这些特殊作物需要大量技术熟练的劳动力。自动化收获一直是一个巨大的挑战。

“我们从番茄开始，但最终我们正在开发的技术堆栈将广泛适用于各种作物。今天是西红柿，明天是辣椒，明天就是黄瓜。”

他说，从一种作物跳到另一种作物只需“简单的末端执行器交换”，就能给处女座配备不同的“手”，使机器人能够抓取和收获各种水果和蔬菜。

“通过追求特殊作物行业中最大的一个未得到满足的需求，我们得到了人们的关注。事实上，一个番茄30%到40%的收入直接用于支付劳动力。收割机的工作对体力要求很高。这是一个困难的工作，这是一个季节性的工作。寻找劳动力以满足需求的能力越来越难。”

一个协作机器人被设计成在紧凑的空间中工作，比如这个室内温室，它被安装在一个移动平台上，配备了计算机视觉和机器学习，在协作机器人沿着植物行自主移动时采摘成熟的农产品。 (Root AI提供)

这些特殊作物的有效载荷范围完全在普通工业机器人的能力范围之内。这包括precision Automation公司的PF3400协同SCARA机器人，这是室女座系统背后的机械臂。

根选择了精确的自动化机器人因其相对于其他协作机器人的速度更快，以及机器人独特的运动学和狭窄的工作空间。特殊作物通常生长在垂直空间，所以有一个移动空间为圆柱形和球形的机器人更符合环境的物理几何形状。他们还需要降低机器人的重量，以便于移动。Precise的四轴SCARA重量只有20公斤，包括它的内置控制器，同时提供高达1.2米的垂直延伸。

至于机动性，处女座通常在温室环境中工作，在整个设施有一个火车轨道系统。最终，处女座将自动驾驶在一排作物，将手动从行移动到行。莱辛说，这创造了一个自然的协作工作流程。

更快更新鲜的进入市场

处女座促成了一种最新的颠覆性农业趋势——室内农业。这一概念的变体，包括城市农业和垂直农场，正在取得进展。

如果种植者能在一天内把它摘下来，第二天就能在杂货店的货架上出售，那就是营养价值和风味的顶峰。这就是消费趋势的发展方向。人们希望饮食中有新鲜的农产品。但要提供质量、营养价值和口味都一直很高的新鲜农产品，意味着种植者需要在离食物消费地更近的地方开始生产。目前，水果和蔬菜的物流供应线相当长，可能会侵蚀产品的保质期，降低终端客户的体验。

莱辛说:“与温室种植者合作是一个难得的机会，可以参与农业领域非常具有破坏性和积极意义的变革。”“这些设施非常高效。它们可以比典型的户外农场减少90%的用水量。他们能够尽量减少杀虫剂、杀菌剂和除草剂的使用，而且因为这些是可控的室内环境，他们实际上使用有益的昆虫来攻击有害的昆虫。”

根据少，室内种植者的一个测试处于户外农场的室内种植者将制作25倍。当您认为具有较不可耕地的世界时，这是重要的。科学家说，地球已经失去了三分之一的可耕地在过去的40年里，如果农业实践不发生重大变化，土壤耗竭的速度将继续上升。

“消费者要求零售商提供通过更可持续的生产方式送到他们手中的食品。如果你能在24小时内将一件农产品送到大城市，那就是新鲜的!如果我们能够在这些环境中工作并创造价值，我们就是未来农业的一部分。

莱辛继续说:“食品行业有太多的挑战需要克服。”“在我小时候，我爸爸的主要爱好是在我们家后院摘西红柿。他是一名医生，一直致力于为社区服务。这是他教我的一课。在我的职业生涯中，我有机会从商业层面学习到很多关于食品行业的知识。那次经历为我的人生提供了一个新的机会，让我去追求那种激情，帮助食品供应链中的人们兑现提供丰富、可靠食品的承诺。”

通过他们的机器人系统，Root已经获得了多项专利来帮助他们实现这一使命。

食品供应链的柔性

由于全球食品生产商的利益攸关，灵活的自动化有助于该行业应对总是与时间赛跑的食品供应链的挑战。新鲜的、快速的和负担得起的没有给低效率留下多少空间。机器人帮助种植者满足无止境的需求。

柔软的机器人公司。该公司因其在食品加工和包装方面的创新应用，被评为2018年福布斯最具创新力的25家亚博科技初创公司，并被评为THRIVE亚博科技50强。著名的投资者包括Taylor Farms、ABB、雅马哈和霍尼韦尔。

首席执行官卡尔·沃斯表示，劳动力短缺和效率低下的流程超出了该领域。我们不只是失去食物死在藤蔓上。当产品不能及时到达市场时，我们也会损失供应链上的农产品和其他易腐食品。

软驱动抓手轻轻处理新鲜农产品的大小和形状沿着整个食品供应链。(软机器人,Inc .)

位于马萨诸塞州贝德福德的软机器人公司服务于三个关键行业:一般供应链和物流、先进制造业和食品和饮料。这种抓手在任何具有高多样性的应用领域都很出色，如电子商务、商店补货和配送、按大小和形状进行产品分类、配餐和高混合/大批量生产，如化妆品和消费品。

机器人在食品行业找到了独特的定位手握制品、蛋白制品和烘焙制品在美国，水果和蔬菜、肉类和鱼类、生面团和烘焙食品在大小、形状、重量和变形能力上都有很大的不同——这正是由柔软、柔顺的材料制成的自适应抓手派上用场的地方。

沃斯说:“谈到农产品，我们什么都做，从收获到最后一英里的食品配送。”

在这一领域，软机器人抓手正在收割绿叶蔬菜的头部。传统上，收获生菜是一项繁重的工作。一队队的工人弯着腰，用大砍刀切着一排排的生菜，从茎处切下每个头。由于劳动力短缺，想要找到愿意从事这项艰苦工作的工人变得更加困难。

自动化拯救了工人，将他们从具有人体工程学挑战性的任务中拯救出来，并允许他们在自动化农场上从事更高价值的工作。结合机器视觉定位生菜头和自动刀片将生菜头与茎分开，软体机器人抓手帮助美国种植者收获不同品种的生菜和其他绿叶蔬菜。

沃斯说:“我们能够很好地抓住所有不同大小的莴苣头，而且不会受伤。”“这是一个巨大的优势。”

与此同时，在泰勒农场，机器人和水射流技术也使收获生菜更容易、更有效。观看自动收获生菜与水。

在丹麦的一个自动温室里，这个协作机器人和自适应抓手组合包精致的草药安全、高效。

改善食品清洁和安全

清洁是食品生产商一直面临的挑战。软机器人公司已经竭尽全力确保其抓手达到更高水平的食品安全。该抓手使用一种外科手术级高分子材料的专有混合物，按照严格的标准生产，并符合美国食品和药物管理局(FDA 21 CFR)、欧洲食品接触材料条例(EC 1935)和日本厚生劳动省的要求。

软机器人坚持良好生产规范(GMP)，是一套监管制度，确保产品始终按照为食品和饮料、化妆品、药品、膳食补充剂和医疗设备的制造商、加工商和包装商建议的质量标准和指南进行生产和控制。

“我们使用供应商和我们内部流程制造的医疗级材料，以满足GMP要求，这对于可追溯性非常重要，并且知道清洁度已经进入每一步，”Vaest。“它为您提供了可清洁性和食品安全的额外余量。”

对安全、可靠的食品供应的信心是人类的基本需求。但不断增长的人口、劳动力短缺和土地退化威胁着可持续发展。农业需要用更少的钱做更多的事。随着农场学会像精益工厂一样运作，机器人和人工智能将迎接挑战。高科技，清洁和数据丰富的未来更可持续。