Морковь, сверчки и роботы: Агрокультура 4:0

Четвертая промышленная революция уже началась. Эксперты называют ее Индустрией 4.0 и говорят о том, что она отличается высокой степенью внедрения информационных технологий в производство, автоматизацией бизнес-процессов и повсеместным распространением ИИ. 

Нет сомнений, что она стимулирует и перевернет с ног на голову всю экономику, но кажется, может захватить и экологию, и нашу с вами еду.

В июле 2021 года экономист в сфере сельского хозяйства из Гогенгеймского университета Томас Даум опубликовал в научном журнале Trends in Ecology & Evolution статью под названием «Роботы на ферме: экологическая утопия или антиутопия». В ней он поделился своим мнением о том, как технологическая революция в сельском хозяйстве может повлиять на наше будущее.

Представьте себе картину будущего. Огромные автономные роботы с газовыми двигателями колесят по земле, засеянной одной и той же культурой, а над ними — почерневшее небо, пропитанное загрязнениями. Все деревья срублены, а в округе совсем нет животных. Пестициды распыляются в огромных количествах, потому что люди больше не заботятся о полях. С этим отлично справляются машины: они производят огромное количество пищи, чтобы прокормить растущее поколение. Однако при этом в жертву приносится экология.

Но есть и другой вариант. Компактные роботы обрабатывают небольшие участки с различными культурами. Они работают среди деревьев, ручьев, голубого неба и чистого воздуха. Их питают возобновляемые источники энергии, такие как солнце, ветер и вода. Агрохимикаты остались в прошлом — роботы помогают экосистеме сохранять гармонию.

Несмотря на то, что огромные сельскохозяйственные роботы еще не используются, крупные фермерские хозяйства уже влияют на окружающую среду. «По своей сути, земледелие — намеренное формирование экологии в определенном месте», — утверждает Эмили Райзман, географ человеческой среды из Университета штата Нью-Йорк в Буффало.

Люди прогоняют диких животных, ухудшают состояние почвы и очищают землю, чтобы выращивать пищу. При этом они распыляют химикаты, чтобы отпугивать насекомых-вредителей. Если добавить к этому существующие сельскохозяйственные технологии, то ситуация становится еще хуже.

Чтобы работать эффективно, машинам — тракторам, сборщикам и дронам — необходима контролируемая среда. Поэтому число непредсказуемых факторов нужно снизить до минимума. А значит, выращивать одну и ту же культуру год за годом в определенный период, а также часто использовать гербициды, пестициды и фунгициды.

 «Стандартизация — результат механизации сельского хозяйства», — рассказывает Патрик Баур, специалист по устойчивым продовольственным системам из Род-Айлендского университета. По его словам, весь процесс выращивания и вся агроэкосистема формируются, чтобы соответствовать потребностям машины.

Экологическое единообразие, которого требует индустриальное сельское хозяйство, приводит к снижению биологического разнообразия, а также многообразия растительного и животного миров. Однако именно эти факторы поддерживают баланс экосистем.

Биоразнообразие сохраняет качество воды и снижает глобальные температуры, удерживая углерод в почве. Оно также поддерживает число насекомых, опыляющих урожай, и хищников, которые отпугивают вредителей.

Так зачем человек использует машины, если от них так много вреда? Это вопрос экономики. Чтобы удовлетворять потребности растущего населения, сельскому хозяйству нужно все больше рабочей силы. Сейчас продукты питания стоят намного дешевле, чем раньше. Поэтому фермеры производят больше урожая, но получают меньше прибыли.

В результате фермерские работники зарабатывают меньше и покидают индустрию, чтобы найти более высокооплачиваемые варианты. Чтобы восполнить недостаток рабочей силы, фермеры все чаще обращаются к механизации.

Новая концепция и трудности на пути к ее реализации

Поддержание баланса между сохранением окружающей среды и удовлетворением растущего спроса на продукты питания — непростая задача. Однако Даум видит уникальный потенциал в развитии ИИ и автономных устройств. Он считает, что эти инновации помогут нам адаптироваться к изменяющемуся климату и восстановить биоразнообразие.

«Вместо того, чтобы приспосабливать окружающую среду к потребностям технологий, мы можем запрограммировать машины на удовлетворение нужд окружающей среды», — утверждает Даум в своей статье. «Умные» роботы, управляемые машинным обучением, имитируют гибкое мышление человека, а значит, будут лучше справляться в естественных биоразнообразных системах.

Роботы уже начинают охватывать продовольственный сектор: они собирают клубнику и салат, а также опыляют цветы и даже доят коров. Они работают эффективнее и могут выполнять экологически безопасные задачи, такие как прополка, которые невыгодно выполнять вручную с экономической точки зрения. Это, в свою очередь, снижает необходимость химикатов.

Даум считает, что роботы также могут упростить обслуживание живых изгородей — природных ограждений из кустарников и деревьев, растущих по периметру фермерских земель. Живые изгороди способствуют сохранению биоразнообразия, выступая в качестве альтернативных сред обитания для местных растений, насекомых и животных.

Умные машины также могут справляться с совмещением культур — выращиванием различных культур на одном поле. Это устойчивый метод ведения сельского хозяйства, который помогает поддерживать здоровье почвы и снижает число вредителей. Однако он обходится дорого и неэффективен при текущих технологиях.

Тем не менее развертывание роботов, способных выполнять подобные задачи, сопряжено с трудностями. Они должны быть умнее, чем текущее поколение машин, собирающих салат и клубнику. А значит, их разработка будет стоить дороже. Райзман также отмечает, что для их создания и обслуживания требуются ресурсы, истощающие окружающую среду.

Чтобы изготавливать роботов, нужно добывать больше полезных ископаемых, таких как медь и литий. Интеллектуальные системы, использующие облачные хранилища, потребляют больше энергии. Кроме того, необходимо придумать, как утилизировать эти технологии, так как они, вероятно, будут иметь ограниченный срок службы.

По словам Райзман, эта экологическая утопия может оказаться антиутопией для людей. В лучшем случае инновации окажутся не нужны: агроэкологи выяснили, что небольшие фермы с людьми-работниками могут быть столь же эффективны и экологичны. В худшем — усугубятся социоэкономические проблемы, которые и так актуальны для сельскохозяйственной и технологической индустрий.

А может и вовсе обойдемся без полей? Как бы не старался ИИ в полях, привычное растениеводство, вряд ли сможет полностью излечить все свои болезни. Большие агрокомплексы и тепличные хозяйства потребляют огромное количество воды и удобрений. Для выращивания овощей в таких комплексах требуется 12 литров на кв.м. В результате происходит круговорот — почвы загрязняются пестицидами и истощаются, окружающая среда загрязняется, а к нам на стол попадает нездоровая еда.

Кроме того, чтобы томат доехал до потребителей, его снимают зеленым, дополнительно обрабатывают, и он дозревает по дороге. В среднем по миру, чтобы попасть к нам на стол, овощи преодолевают 1,5 тысячи км. 

При транспортировке свежесть и 45% питательных веществ теряются, а до 40% продукции по дороге превращается в отходы. Логистическое плечо увеличивает стоимость продукта. До 60% от стоимости составляет человеческий труд, начиная с посадочных работ и заканчивая логистикой.

В ответ на это производители не стали поддаваться фантастическим и утопическим размышлениям – они решили действовать. Так в 2017 году команда iFarm начала экспериментировать со светопрозрачной теплицей-биовегетарием на грунте. Там поддерживался микроклимат и автоматически открывались форточки.

Параллельно разрабатывались вертикальные установки для выращивания зелени, и в 2018 году была построена полностью автоматизированная вертикальная ферма (400 кв.м), оборудованная системой управления микроклиматом. С помощью датчиков и программного обеспечения контролировались состав раствора, параметры и расписание света, влажность, температура и подача СО2.

Затем была создана понятная и прогнозируемая карта культур — сценарий выращивания растений, а после был разработан универсальный инструмент управления не только микроклиматом, но и всем производством. Для этого было необходимо правильно прогнозировать нагрузку, чтобы полки не простаивали (зоны рассады и проращивания разделены). Требовалось ежедневно снимать огромное количество урожая. 

В результате iFarm взялись за SaaS-платформу, которая сейчас используется на всех производствах по технологии iFarm.

В чем преимущество вертикальных ферм?

  • Рациональное использование воды. Вертикальные фермы требуют на 90% меньше воды, чем традиционное земледелие на полях и теплицы.
  • Свежесть, питательные вещества
  • Вертикальные фермы могут располагаться в любом здании, которое подходит под требования. Нет нужды дополнительно нести расходы на логистику, а овощам — преодолевать тысячи километров. 
  • Растения не контактируют с вредителями и переносчиками болезней, в связи с этим нет необходимости использовать средства для обработки от насекомых и заболеваний. Поэтому в овощах из вертикальных ферм не содержатся пестициды.

Экспериментальные лаборатории расположены в Новосибирске и Москве. Изучают спрос: актуальность, популярность. Доводят растения до нужных норм: форма, размер, вкусовые характеристики.

В лабораториях создают агротехнические карты — «рецепты выращивания». Они поступают в SaaS-платформу — центр сосредоточения всех данных.

Выращивают 120 культур. Порядка 40 культур в производстве.

Уже сейчас в Москве можно приобрести продукцию, выращенную по технологии iFarm, — например, в сети супермаркетов «Азбука Вкуса». Ребята непрерывно ищут решения по автоматизации процессов и постоянно сокращают расходы на выращивание 1 кг продукции. 

Основатели и члены команды увеличивают число агротехнических карт, разрабатывают нейронную сеть для вычисления зеленой массы растения по снимку, внедряют Telegram-бота для выявления заболеваний при помощи технологии computer vision и находят интересные применения ИИ-продуктов для вертикальных ферм.