解决全球日益增长的粮食问题，并帮助人类保护生态环境，机器人是否能比农民做得更好？
机器人将彻底改变农业工种和农民的劳动方式
下次你在超市出口准备结帐离开的时候，想想那些通过自己的劳动填满了你购物篮的农民们。他们觉得眼下的日子不好过，你也就明白这意味着食品价格的升高，而对于那些食品短缺直接威胁到其生死的几百万人来说，日子更加困难。更糟糕的是，有研究表明，到2050年，全球需要的食物量是目前的两倍。然而，农民们要尽可能地从土地上耕种出更多的产品，他们还必须减少对环境造成的影响。所有这一切意味着人类要重新思考一些问题：农业运作方式的改变，以及将自动化引入一个全新的层面。
在新型农场，起关键作用的是精准度。如果你只在需要之处喷洒化学制剂就可达到效果，为什么还要在整片土地都喷上农药呢？每种作物都有各自精确的配量，不能多也不能少，这样做可以削减农药的使用，并同时提高产量。但说起来容易做起来难。在欧洲和美国，最大的农场占地数万公顷。因此，自动化就成了精准农业的关键。农业工程师们表示，精准农业需要机器人农民。
很快，我们可能在农田里看到农业机器人，他们能够识别不同种类的幼苗，并用精确配量的肥料以及水分精心培育它们。其他的机器可以区分杂草，并用一定剂量的杀虫剂、火焰喷枪或者高功率激光根除杂草。这些机器还能识别并收割所有不同类型的成熟蔬菜。
机器人带来的变化巨大：工作种类、工作方式、土壤及其质量，以及农业耕作中需要的能量，即碳量。机器人可以减少污染，降低水资源的使用量。对普通老百姓来说，最显而易见的变化应该是农田的模样。庄稼们被种植在小型的几何图形的土地上，果园到处都是成排的二维形状果树。机器人农民的出现甚至可能影响到水果蔬菜的种类。
历经一个多世纪的机械化已经将农业转变成工业化规模的活动，种植麦子的农田基本上都已实现自动化。而有很多其他种类的庄稼，包括柑橘和马铃薯在内的加工型食物，实现了机械化采摘。在无数的乳牛场，机器人为奶牛们挤奶。这类以及其他一些产品都未经人类的双手就到达了你们所在的商场。
然而，下一波自动化农业机械已经蓄势待发。你可能已经看到，或者还没有注意到，因为这些机器人都打扮成了拖拉机。今天的很多拖拉机都是自动控制，用GPS定位穿梭在农田里，甚至可以和它们的工具“交谈”，比如一把犁，或者喷雾器。而且，工具们也能侃侃而谈。英国哈勃亚当斯大学研究农业技术的西蒙·布莱克默（Simon Blackmore）教授说：“一个机械除草工具可以和拖拉机说‘你跑得太快了’，或者说‘向左靠些’。”他表示，此类系统正在形成规范。
农业运输车也开始彼此交谈。今年上市的一种约翰迪尔系统，一台联合收割机可以发指令给一台牵引式挂机，这样驾驶员可以卸载收割的谷物。德国芬特公司研制出的姊妹拖拉机，一台手动操作，另一台自动驾驶，并能在工作点附近模仿第一台拖拉机的动作。这一成对设备可以有效分配农民耕作的时间，而这仅仅是个开始。
然而，这些全自动的家伙们投入在农田里，看起来根本不像拖拉机。今天的农机块头大、分量重，有很多弊端：它们碾压土壤、降低土壤孔隙度、扼杀土壤中的有益生命，也就是说，庄稼没法正常生长。重压还会因为雨水的流淌增加土壤的风化。布莱克默教授说：“为什么我们要犁地？主要是修复大型拖拉机对土壤造成的损伤。耕作中80%的能量用来修复这样的损伤。当然，可以选择使用不同的方式。”
布莱克默教授认为，轻量级的自动化机器人可以解决这一问题。他表示，用精确度取代之前的猛力是关键。“一粒种子只需要一立方厘米的土壤就可以生长，如果照此耕作，我们只需要稍稍投入能量，就可以做到优异种植。”
这些轻型机器人可以不再集中犁地，这在很大程度上减少了能量总和，以及耕作中二氧化碳的排放。由于减少了重压，土壤依然保持原本的结构和有益生物，并能有效地吸收水分，保持其肥沃程度。
具备这些功能的自动化机器人已经投入试运行。它们需要具备三种核心能力：导航、了解它们身前的状况，并帮助农民除草、施肥或者收割。导航系统是其中最简单的一部分，尤其是在高精度卫星导航技术RTK-GPS出现之后。该导航技术可以将机器定位误差控制在两厘米以内。来自德国奥斯纳布吕的应用科技大学的阿诺·吕克尔斯豪森（Arno Ruckelshausen）教授正在研发一种模块化机器人农民，称作BoniRob。这种四轮的农田漫步车利用了谱型成像照相机在棕壤上分辨绿色植物，然后记录下所有植物的位置，并不断地往返于这些植物监控它们的成长。
激光除草枪
除草是农业耕作中非常重要的环节，因为杂草对某些庄稼的减产量超过50%。所以接下来，吕克尔斯豪森教授准备在机器人体内装备一种精准喷雾系统，与喷墨打印机原理类似，可以将微型除草剂喷洒在杂草的叶片上。根据他的计算，此类方法可以减少80%化学制剂的使用。就算是考虑到机器人的基础投入，其成本也比传统的除草方式低。通过减少除草剂对植物的侵害给生物多样性带来的好处颇多。而且，使用除草剂也不是机器人除草的唯一途径，目前使用的还有火焰喷枪和激光来燃烧杂草，这对有机农业来说非常有用。
使用肥料也可以降低成本：农田试验表明，机器人通过使用传感器来评测某一小麦品种的氮水平，可以测量出需要施加的肥料数量，由此减少肥料使用总量的80%以上，且不影响作物产量。减少重压土壤带来的水土流失，以及减少肥料使用，意味着人类会有更加洁净的河流和水道。更不用说，肥料的生产是碳排放的罪魁祸首。
机器人面临的另一个挑战是如何辨清作物和杂草。科研工作者们正在研制机器视觉系统，通过叶片的形状来区分杂草和甘蔗。据悉尼的澳大利亚农田机器人研究中心的机器人研究专家萨拉赫·苏克雷赫（Salah Sukkarieh）介绍，由于缺乏资金，研究进展缓慢。他说：“如果能从采矿和防御项目里获得研究农业机器人的经费，我会解决这个问题的。但是现在经费根本不够。我们只好向其他行业学习，这就是涓滴效应。”尽管如此，据他预计，机器视觉系统大约在三年内研制完毕。
从技术的角度，布莱克默教授无法理解，为什么农业机器人做不到商业化。像丹麦的HortiBot这样带有机器视觉的机器人的测试表明，它们能够在田地里识别杂草，并对杂草喷洒精准量的杀虫剂。还有试验显示，机器人灌溉系统能够减少近一半的用水量。布莱克默教授说：“问题是要找到投资者。技术本身已经很过硬了。”
在日本，政府已经插手这一问题。该国目前所需食品的40%自给生产，比其他国家更依赖于食品进口，但是政府目标是在今后十年，将食品自给量提高到50%。随着老龄化人口减少了农业工人人数，日本正准备求助于将机器人投入农业生产。
北海道大学的野口伸教授正主持一个由日本农林渔业部支持、历经5年、耗资800万美元的项目，最终目的是将农业机器人投入市场。该项目计划将从播种到收割的整个耕种过程自动化，重心放在日本三种主要农作物上：水稻、小麦和大豆。到2014年，研究小组计划试行他们研制的农业机器人。野口教授说：“从现在开始的五年里，我们要将它们投放市场。”
野口教授担心的主要问题是机器人很有可能碰撞路人或者驱赶牛群。因此，他正和德国博世工程公司合作，研制装备激光和超声波传感器的机器人，这些装置可以监控机器人的环境，在碰撞的紧急关头制动刹车。作为备用装置，在机器人可能会碰撞任何事物的时候，感应保险杠会阻止机器人的前进。
除了日本，其他意识到农业劳动力紧缺，亟需机器人登场救急的区域在北美和西欧。同样，在中国这样迅速发展中的国家也面临类似的问题。荷兰瓦格宁根大学机器人研究专家埃尔德特·范·亨特尼（Eldert van Henten）介绍说：“农业工作没意思、不体面、薪水低。农业工作对体力要求极高，工作环境肮脏，因此人们宁愿进城，在工厂或办公室里找份工作。即使是人口不断增长和食品需求日益提高，愿意选择农业工作的人数仍在迅速缩水。”
美国农业部的经济学家琳达·卡尔文（Linda Calvin）和加州大学的菲利普·马丁（Philip martin）共同研究了机械化趋势，来预测随着农业劳动力的减少，美国农业可能面临的局面。到目前为止，来自墨西哥的移民工人维持着农业劳动力的数量，但移民进程正在减缓，很多在美国的移民开始返乡。美国劳工部的全国农业工人调查项目，在过去25年里对超过5万名农业工人进行了访谈。受访者中有半数以上为非法移民，即使是在这群无合法身份、教育和语言都成为工作障碍的人群中，大多数人在农场工作没几年就辞职，另寻其他减少体力支出的工作。
据卡尔文和马丁介绍，以葡萄干行业为例，不断增加的工作成本推动了人们使用省工省力的农业技术。2000年，一场农业大丰收使得农产品价格暴跌，加上利润缩水，农民们纷纷捂紧口袋。由于劳动力是最大的支出成本之一，在美国农场占生产消费的42%，农民们开始使用葡萄种植者们的机器改装成的机械收割机。到2007年，加州几乎一半的葡萄干生产企业实现机械化收割，劳动力数量从5万锐减到3万。
农业机器人带给那些依靠土地为生的劳动者的可能不是好消息，但对于农场主们，情况又是如何呢？尽管有研究表明，机器人挤奶对于整体的利润没有什么影响，但他们为奶农们省去了日常挤奶工作中的很多繁琐杂事。布莱克默教授的计算显示，在麦田或甜菜地里，农业机器人每公顷可以降低20%的除草成本，由此产生的经济利益相当显著。由于劳动力占总成本的一半以上，有机农业的农民们收获更丰。丹麦一项有机农业的调查表明，如果将机器和维修成本包括在内，农业机器人可以减少一半的除草成本。
机器人环境下的农场
乔什·思翠德（Josh Stride），来自支持有机农业的英国土壤协会，他非常看好减少化学制剂的农业技术前景。但他也提醒说，我们也需要意识到其中的风险。“任何新技术的引入都要看其是否能够带来明显的效益。”
那么，农业机器人能否降低食品的价格？布莱克默教授回答，有可能。从天气状况到超市价格战，影响食品价格的因素很多，因此很难说清自动化是否能够在未来让水果蔬菜便宜一些。但，减缓能源密集型农业有可能让食品价格降下来。
不过，大面积的使用农业机器人可能会给超市带来其他的变化。英国赫尔大学研究农业的路易斯·霍洛威（Lewis Holloway）表示，机器人挤奶有可能影响奶牛的基因，因为奶农们选择“有利于机器人”的奶牛，比如乳房形状、甚至姿态都要适合自动挤奶的奶牛。他还说，同样，可以想象到，由于农民们更愿意种植一些叶片容易让机器人区别的作物，农业机器人会影响商店里出售的水果蔬菜种类。
这些机器将最终改变我们的地貌。苏克雷赫认为，机器人农业的转折点会出现在人们开始专门为农业机器人设计农场。也就是说，农场会减小面积，庄稼们按网状分布种植，而不再是以前的分列种植，果树修剪成二维形状，这样更加方便采摘。苏克雷赫表示，这种新型的几何形状的农场布局目前还不成气候，“但一定会出现的。”范·亨特尼赞成这一观点，他回忆说，“上世纪90年代中期我们开始研究机器人学的时候，农民们笑话甚至对此表示质疑。但当我们演示使用了一台黄瓜采摘机后，他们居然问能不能第二天就买一台。”
资料来源New Scientist
责任编辑 彦 隐