로보틱스
로봇 수분 매개자가 수직 농업에서 역할을 할 수 있을까?
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수직 농업 시장은 급격한 성장을 앞두고 있으며, 가치가 56억 달러에서 2032년까지 예상되는 350억 달러로 확대될 예정입니다 — 10년 안에 거의 7배 증가합니다. 이 성장하는 시장을 활용하려면 혁신과 첨단 기술의 활용이 필수적입니다. 로봇 수분 매개자, 혹은 ‘로봇 벌’은 이 분야에서 잠재적으로 변혁적인 역할을 할 수 있습니다.
하지만 로봇 수분 매개자가 수직 농업에 어떤 잠재력을 가지고 있는지 이해하려면, 이 카테고리들이 무엇을 의미하는지 명확히 알아야 합니다. 따라서 우리는 수직 농업과 로봇 수분 매개자가 무엇인지에 대한 간략한 개요부터 논의를 시작하겠습니다.
수직 농업이란 무엇인가?
수직 농업은 작물을 수직으로 쌓인 층에서 재배하는 농업 방법/기술입니다. 전통적인 농업은 수평으로, 농지에서 작물을 재배해 왔습니다. 그러나 지구상의 비옥한 토지 면적은 한정되어 있고 전 세계 인구는 지속적으로 증가함에 따라, 수직 농업은 주로 제어된 환경에서 아쿠아포닉스, 수경재배, 에어로포닉스와 같은 기술을 활용해 토양 없이도 재배가 가능한 해결책으로 부상했습니다.
요즘에는 건물 내부, 배송 컨테이너, 그리고 심지어 지하에 위치한 딥 팜(Deep Farms) 등에서 수직 농장을 찾아볼 수 있습니다.
수직 농업의 장점은 많습니다. 효율성이 높고, 날씨에 영향을 받지 않으며, 환경 보전 측면에서 더 건강한 대안입니다. 전통 농업 주기에 앞서 종종 발생하는 삼림 벌채가 필요 없으며, 경작, 파종, 수확 등 높은 탄소 발자국을 가진 기존 농업 활동도 많이 필요하지 않습니다.
수직 농업 개념은 1999년 딕슨 디스포미어(Dickson Despommier)에 의해 처음 제시되었으며, 이는 현재 떠오르는 응용 분야의 시작을 알렸습니다. 이 기반이 수직 농업이 앞으로 몇 년간 진화하고 다양화되는 길을 열어줍니다.
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로봇 수분 매개자는 무엇인가?
간단히 말해, 로봇 수분 매개자는 바퀴와 팔이 달린 거대한 벌과 유사합니다. 이 기술 혁신은 꿀벌과 같은 자연 수분 매개자의 부족이라는 급박한 문제를 해결하기 위해 설계되었으며, 이는 전 세계 식량 생산에 큰 도전을 제기합니다. 이 문제에 대응하여 웨스트버지니아 대학교 연구진은 로봇 수분 매개자를 고안했습니다.
웨스트버지니아 대학교 기계·항공공학부의 부교수인 유구(Yu Gu) 박사가 만든 모델은 온실 환경에서 다양한 작물의 수분을 돕기 위해 설계된 6개의 팔을 가진 로봇을 특징으로 합니다. 로봇 수분 매개자의 목적은 두 가지입니다.
즉각적인 목적은 꽃 검사, 매핑, 수분 및 성장 추적이라는 반복적이고 시간 소모적이며 노동 집약적인 작업을 수행하여 농부가 파종, 관개 및 해충 방제에 집중할 수 있도록 하는 것입니다.
장기적으로는 로봇 수분 매개자가 개별 작물을 최적의 효율로 관리하고, 곤충 감소 기간에도 식량 생산을 보장하며, 작물 데이터 추적과 같은 부가 가치를 제공하는 것을 목표로 합니다.
“환경을 매핑하고, 로봇이 환경에 대한 전반적인 이해를 갖게 되면, 식물의 보다 상세한 매핑을 구축하여 꽃이 어디에 있는지, 어느 꽃이 수분이 필요한지 알게 됩니다.”
이러한 역량을 고려하여, 로봇 수분 매개자가 수직 농업에 어떻게 기여할 수 있는지 살펴보겠습니다.
로봇 수분 매개자의 장단점
로봇 수분 매개자는 농업 산업에 다양한 이점을 제공할 잠재력이 있습니다.
24시간 연속으로 작동함으로써 로봇 수분 매개자는 인간보다 높은 효율성을 제공하여 인건비를 절감하고 식량 수확량을 향상시킵니다. 이들은 낮과 밤, 혹은 혹독한 환경에서도 지속적으로 작업할 수 있습니다. 또한, 작물 데이터를 수집·분석하는 능력은 재배자에게 정밀한 제어를 가능하게 하여 보다 정보에 기반한 농업 결정을 내릴 수 있게 합니다.
이러한 기술적 독창성은 로봇 수분 매개자를 특정 농업 작업에 맞게 맞춤화할 수 있게 합니다. 작물 규모와 농장의 수분 요구에 따라 확대하거나 축소할 수 있습니다. 또한, 이 기계들은 전통적인 방법보다 특정 식물이나 구역을 더 정밀하게 수분시켜 자원 효율성과 식량 수확량을 개선합니다.
수분 작업 외에도, 이 로봇들은 실시간으로 공기, 물 및 기타 환경 요인을 측정하여 보다 안전하고 지속 가능한 농업에 기여합니다.
농약이나 기타 독성 물질의 필요성을 없춤으로써, 로봇 수분 매개자는 환경 영향을 줄이고 운영을 개선하려는 농부들에게 매력적입니다.
하지만 물론, 로봇 수분 매개자에도 문제점이 없습니다는 아니죠:
- 최근 기술 발전에도 불구하고, 로봇 수분은 비용이 많이 들며 자연 수분 매개자(예: 꿀벌)를 효율적으로 대체하기에는 아직 멀었습니다. 또한 지구에는 250,000종 이상의 꽃식물이 존재하며, 각각이 꽃가루 매개자와 독특한 상호작용을 합니다.
- 외래 침입 종이 멸종을 초래하고 생태계 기능과 서비스를 방해하는 것처럼, 로봇 수분은 더 넓은 생태계에 해를 끼칠 수 있습니다.
- 단일 수분 매개자에 의존하면 복잡한 기술 고장이나 사이버 공격으로 인한 취약성이 증가하여 심각한 식량 불안정을 초래할 수 있습니다. 또한, 유전적 다양성 감소는 꽃이 질병 등에 저항하는 능력을 약화시켜 건강에 부정적 영향을 미칠 수 있습니다.
수직 농업 수분 과제
수직 농업은 큰 기대와 함께 시작되었습니다. 온타리오 주 겔프 대학의 제어 환경 농업 연구원인 토마스 그레이엄(Thomas Graham)은 수직 농장이 “우리 식단에 의미 있는 기여를 할 잠재력이 있다”고 믿었습니다. 그러나 기대와는 달리, 수직 농업은 인플레이션, 급등하는 에너지 가격, 지속적인 대규모 전력 수요 등 여러 도전에 직면했습니다.
많은 수직 농장은 상추와 허브와 같이 물 사용량이 적고 수경재배로 빠르게 재배할 수 있는 녹색 작물에만 국한된 제품군을 넘어 확장하지 못했습니다.
수직 농업이 진정한 잠재력을 발휘하고 식량 불안정 문제를 의미 있게 해결하려면, 제공하고 생산할 수 있는 작물 종류를 확대해야 합니다. 이러한 확장은 수분 매개자의 도움이 없이는 불가능합니다.
미국 농무부 산하 국립식품농업연구소(NIFA)에서 발표한 연구에 따르면 전 세계 꽃식물의 약 75%와 식량 작물의 35%가 동물 수분 매개자에 의존해 생산됩니다. 꿀벌이 가장 대표적인 수분 매개자이며, 미국에만 4,000종 이상의 꿀벌이 작물 수확량을 높이는 데 기여합니다. 그러나 수분 매개자는 꿀벌 외에도 말벌, 나방, 파리, 나비, 새, 박쥐 등 다양합니다.
이러한 자연 수분 매개자는 수직 농업에서 자신의 역할을 수행하기가 어렵습니다. 상업 농업에서 가장 많이 사용되는 가축화된 꿀벌은 인공 조명 아래에서 방향을 잡는 데 어려움을 겪습니다. 손으로 수분을 하는 것도 많은 시간, 노력 및 비용이 소요되어 경제적으로 타당하지 않습니다.
로봇 수분 매개자는 이러한 과제를 어떻게 해결하는가
로봇 수분 매개자가 작동할 수 있는 방법은 하나가 아닙니다. 우리는 로봇 수분 매개자가 실제로 성공적으로 배치된 사례들을 살펴보겠습니다.
자율주행 자동차를 닮은 로봇 수분 매개자
이 유형의 로봇 수분 매개자는 먼저 라이다(LIDAR) 기술을 활용합니다. 레이저를 사용해 온실의 3차원 지도를 생성하여 주변을 파악합니다. 로봇은 온실 행을 이동하며 팔을 이용해 가능한 많은 꽃에 접근하고 작물의 고해상도 3차원 지도를 촬영합니다. 꽃이 수분 준비가 되면 다음 단계로 이동합니다.
로봇은 팔 끝에 유연한 폴리우레탄 브러시(3D 프린트)를 부착하여 부드럽게 꽃잎을 쓸어냅니다. 이를 통해 수술 기관에서 꽃가루가 전달되어 수분이 시작됩니다. 로봇의 메모리는 이미 수분된 식물을 기억해 중복 작업을 방지하고 가능한 한 빠르게 작업을 완료합니다.
AI 기반 드론을 활용한 로봇 수분
또 다른 로봇 수분 접근 방식은 소형 드론을 활용하는 것입니다. AI 기반 소프트웨어가 드론을 제어해 농부가 필요로 하는 중요한 특성을 인식하고 측정하도록 합니다. 드론은 식물 근처를 비행하며 카메라 센서를 사용해 필요한 정보를 캡처합니다. 온실 내부 대기 조건이 수분에 최적화되면, 드론은 주변 공기를 흔들어 꽃을 진동시킵니다. 진동으로 꽃가루가 떨어져 수분이 시작됩니다.
나노로봇 수분 매개자
핀란드 탐페레 대학교 연구진은 빛에 반응하는 물질 조립을 기반으로 하는 에어로로보틱스 원리를 이용한 나노로봇 수분 매개자를 개발했습니다. 즉, 빛에 민감한 물질을 조립해 만든 비행 로봇입니다.
빛은 이러한 로봇의 제어 메커니즘으로 작용하여 수분이 필요한 영역을 목표로 합니다. 이 방법은 인공 씨앗에 꽃가루를 실어 정밀하게 분산시키는 데 효과적입니다. 각 인공 씨앗은 빛에 민감한 액정 탄성체로 만든 유연한 액추에이터를 탑재하고 있어, 가시광선에 노출되면 털이 열리거나 닫히게 됩니다.
빛을 이용하면 로봇 수분 매개자는 연성 로봇 구조의 형태를 바꿔 바람의 힘과 방향에 맞게 적응할 수 있습니다. 아직 대량 생산 단계에 이르지는 않았지만, 이 로봇 기술은 씨앗 착륙 능력을 더욱 개선해야 할 필요가 있습니다.
이동형 지상 로봇 수분 매개자: 수직 농업 솔루션 분야의 잠재적 경쟁자
기술 개발자들은 또한 식물 행 사이를 이동하며 공기 펄스를 방출해 수분을 촉진하는 지상 로봇 수분 매개자를 선보였습니다. 아직 인간 운영자가 태블릿을 통해 로봇의 행 이동을 제어해야 하는 개발 단계이지만, 이 기계들은 이미 만족스러운 수준의 자율성을 달성했습니다. 개발자들은 이러한 로봇이 곧 수직 농업 환경에서 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 보고 있습니다.
수직 농업에서 로봇 수분 매개자를 활용하면 얻을 수 있는 이점은 다양합니다.
자연 수분 매개자는 비용 효율성과 효율성에 관계없이 바이러스를 전파할 수 있습니다. 전통 농업에서는 상업적으로 생산된 꿀벌을 자연 수분 매개자로 사용합니다. 이러한 꿀벌은 제어된 온실 환경을 탈출해 야생 꿀벌 개체군에 감염을 일으킬 위험이 있으며, 이는 이미 심각한 문제인 곤충 개체수 감소(기후 변화, 급속한 도시화, 농약 사용 등으로 촉발)를 악화시킬 수 있습니다.
로봇 수분 매개자는 이러한 감염 확산을 차단하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 또한 구조화된 환경을 이동하고 예측할 수 없는 날씨와 온도 변화를 피하는 데 매우 효과적입니다.
로봇 수분 매개자 분야의 기업
전 세계 식량 작물의 75% 이상이 어느 정도는 곤충 및 기타 동물에 의존하고 있기 때문에, 기업들은 로봇 수분 매개자 개발에 적극적으로 나서고 있습니다. 주요 기업은 다음과 같습니다:
1. Arugga
현재까지 580만 달러를 투자받은 이 회사는 NVIDIA (NVDA ) Metropolis 플랫폼을 통해 개발된 컴퓨터 비전을 활용해 수분 준비가 된 꽃을 식별하고, 공기 펄스를 분사해 수분 과정을 시작하는 AI 기반 로봇을 제작합니다.
이 로봇의 성능은 꿀벌과 동등하거나 경우에 따라 최대 5%까지 우수하며, 동시에 데이터를 수집·분석하는 능력도 갖추고 있습니다.
Arugga의 로봇은 품질을 손상시키지 않으면서 최대 20%의 수확량 향상을 입증했습니다. 이동형 지상 로봇인 Polly는 딸기, 블루베리, 토마토 등 다양한 작물에 적용됩니다.
최근에는 핀란드 Agrifutura의 4.6헥타르 온실을 세계 최초로 로봇 수분 기술을 완전 활용하는 시설로 전환했습니다.
2. Yamaha Motor
Yamaha Motor는 오랫동안 농업 현대화에 참여해 왔으며, 일본의 고령화 및 인구 감소에 대응하는 솔루션을 개발하고 있습니다. 이 회사는 산업용 무인 헬리콥터, 농업용 드론, 자동 유도 지원 차량, 로봇 팔 등을 개발해 왔습니다.
2022년 12월, Yamaha는 “우리는 가지치기, 수분, 과일 가늘게 만들기, 수확 및 기타 과수원 작업에 즉시 활용 가능한 차량을 개발하고 있다”고 밝혔습니다. 몇 년 전, 일본 제조 기업이 Robotics Plus에 1천만 달러를 투자했으며, Robotics Plus는 범용 무인 지상 차량(UGV) 및 로봇 수분 매개자, 수확기, 포장 시스템 등을 개발하고 있습니다.
Yamaha Motor 주식(YAMHF)은 현재 주당 25달러에 거래되고 있으며, 연초 대비 9.29% 상승했으며, 배당 수익률은 3.79%, P/E(TTM)는 6.20입니다.
3. Edete Precision
이 농업 기술 스타트업은 로봇 수분 매개자를 구축하고 인공 수분 서비스를(APaS) 제공합니다. 바람 수분을 보완함으로써 Edete Precision은 캘리포니아 피스타치오 과수원에서 수확량을 24% 증가시켰습니다. 회사의 로봇 2BeTM 수분 매개자는 개화 기간 동안 정밀하게 관리된 소량의 인공 꽃가루를 분배하여 인공 수분을 수행합니다. 현재 피스타치오에 집중하고 있으며, 앞으로는 아몬드, 체리, 아보카도 등으로 확대할 계획입니다.
4. HarvestX
현재까지 1억 5천만 엔을 투자받은 일본 기반 HarvestX는 농업 산업에 존재하는 다양한 문제를 해결하기 위해 로봇 및 AI 기술을 개발하고 있습니다. 여기에는 로봇을 이용한 딸기 자동 수분이 포함됩니다.
이 회사는 3D 모델과 렌더링된 이미지를 활용해 꽃의 방향에 대한 감독 데이터를 생성하는 머신러닝 기법을 개발했습니다. 신경망을 적용해 꿀벌의 수분 행동 특징을 추출하고 이를 수분 알고리즘에 적용합니다.
수직 농업에서 로봇 수분 매개자: 미래 전망
로봇 수분 매개자가 진정한 잠재력을 발휘하려면, 적용 범위를 확대하기 위한 추가 작업이 필수적입니다. 다양한 작물 생산 시나리오 전반에 걸쳐 효과를 입증해야 합니다. 각 식물이나 작물마다 고유한 복잡성이 존재하므로, 개발자는 서로 다른 수분 방법이 필요한 작물에 맞게 기술을 조정하는 과제에 직면합니다.
이 작업의 섬세함은 기계 솔루션을 원격으로 제어할 때 발생할 수 있는 위험과 결합되어 식물을 손상시킬 위험이 있습니다. 이를 완화하는 방안으로는 정밀도가 덜 요구되는 식물 군집이나 작물과 함께 수분 매개자를 운용하는 것이 있을 수 있습니다. 반면, 정밀한 수분이 필요한 작물에 개별적으로 집중하는 경우, 기류가 작동을 방해할 가능성이 있어 더 어려울 수 있습니다.
곤충학자 및 농업 과학자와 같은 전문가와의 협업은 이러한 로봇 솔루션을 보다 유연하고 적용 가능하게 만드는 핵심입니다. 이러한 노력에도 불구하고, 일상적인 소비를 위한 다양한 작물, 과일, 채소의 방대한 다양성은 아직 해결해야 할 과제가 많다는 것을 의미합니다.
게다가, 이러한 로봇 솔루션은 기후 변화로 인한 변화하는 환경에 적응하여 효율성을 유지해야 합니다. 가격 접근성도 중요한 요소이며, 보다 저렴한 가격은 경쟁이 치열하고 지속적으로 진화하는 농업 산업에 진입 장벽을 낮출 수 있습니다.
로봇 수분 매개자의 미래는 수직 농업의 성장과도 밀접하게 연결되어 있습니다. 많은 전문가들은 아직 수직 농업이 전통 농업을 완전히 대체할 수 있다고 보지는 않지만, 제한된 공간에서 작물을 효과적으로 재배하는 데 유용하다고 인정합니다. 수직 농업이 전통적인 방법을 크게 보완하기 시작한다면, 로봇 수분 매개자에 대한 기회가 확대되어 분야 전반에 걸친 다양한 혁신이 촉진될 것입니다.
