Kunnen robotische bestuivers een rol spelen in verticale landbouw?

Het artikel uit 2023 verwees naar een prognose voor groei van de markt voor verticale landbouw van 5,6 miljard dollar naar 35 miljard dollar in 2032. Dat is ongeveer 6,25 keer zoveel, niet een zevenvoud. Het gaat om een toenmalige marktverwachting. Innovatie en geavanceerde technologie kunnen de ontwikkeling ondersteunen; robotbestuivers zijn een mogelijke toepassing.

Om de mogelijke rol van robotbestuivers in verticale landbouw te begrijpen, bespreken we eerst beide begrippen.

Wat is verticale landbouw?

Verticale landbouw is de teelt van gewassen in gestapelde lagen. Ze kan de beschikbare ruimte efficiënter gebruiken wanneer de bevolking groeit en geschikte landbouwgrond beperkt is of achteruitgaat. Vaak gebeurt dit in een gecontroleerde omgeving met aquaponics, hydroponics of aeroponics, waarbij geen gewone teeltgrond nodig is.

Verticale boerderijen zijn te vinden in gebouwen, in omgebouwde zeecontainers en zelfs ondergronds; die laatste vorm wordt ook wel deep farming genoemd.

Verticale landbouw kan ruimte en water besparen en de teelt minder afhankelijk maken van het weer. Ze kan uitbreiding naar natuurgebied en bepaalde werkzaamheden zoals ploegen vermijden. Dat maakt haar niet automatisch milieuvriendelijker: verlichting, klimaatregeling, pompen en eventuele automatisering kosten energie. De totale milieuwinst hangt af van het ontwerp, de gewassen en de gebruikte energie.

Dickson Despommier gaf vanaf 1999 bekendheid aan het moderne idee van stedelijke verticale landbouw. Dat was een belangrijke stap voor de huidige ontwikkeling, niet het begin van alle vormen van gestapelde teelt. 

Klik hier om meer te leren over verticale landbouw.

Wat zijn robotische bestuivers?

Robotbestuivers bestaan in verschillende vormen, waaronder rijdende robots met een arm en experimentele vliegende systemen. Ze worden onderzocht om telers te ondersteunen waar natuurlijke bestuivers schaars of moeilijk inzetbaar zijn. Onderzoekers van West Virginia University ontwikkelden hiervoor onder meer robotconcepten.

Een team onder leiding van Yu Gu, destijds universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek, werkte aan StickBug: een robot met zes armen voor bestuiving in kassen. De universiteit presenteerde dit ontwikkelingsproject in 2021. Het beoogde nut kent twee tijdshorizonten.

Hun onmiddellijke doel is het uitvoeren van de repetitieve, tijdrovende en arbeidsintensieve taken van bloeminspectie, mapping, bestuiving en ontwikkelingsmonitoring, waardoor boeren zich kunnen concentreren op planten, irrigatie en plaagbestrijding.

Op langere termijn is het doel planten gerichter te verzorgen, voedselproductie bij afnemende insectenpopulaties te ondersteunen en aanvullende gegevens over gewassen te verzamelen. Yu Gu beschreef de werking als volgt:

«De robot brengt de omgeving in kaart. Zodra hij daarvan een globaal beeld heeft, maakt hij een gedetailleerdere kaart van de planten en bepaalt hij waar de bloemen zitten en welke bestuiving nodig hebben.»

Met deze mogelijkheden in gedachten, laten we onderzoeken hoe robotische bestuivers kunnen bijdragen aan verticale landbouw.

Voors en nadelen van robotische bestuivers

Robotische bestuivers hebben het potentieel om een verscheidenheid aan voordelen te bieden voor de landbouwsector.

Robots kunnen langduriger en volgens flexibelere roosters werken dan handmatige bestuiving toelaat. Dat kan arbeidskosten verlagen en de opbrengst ondersteunen. Continu werken is echter afhankelijk van onderhoud, energie, omstandigheden en het geschikte bestuivingsmoment van de bloemen. Gewasgegevens kunnen telers helpen beter onderbouwde beslissingen te nemen.

Autonome waarneming en besturing maken aanpassing aan bepaalde taken mogelijk. Het aantal robots en hun ontwerp kunnen op gewassen en bestuivingsbehoeften worden afgestemd. Gerichte bestuiving kan middelen besparen en de opbrengst verbeteren, mits de methode voor het betreffende gewas is gevalideerd.

Met geschikte aanvullende sensoren kunnen zulke robots ook gegevens over lucht, water en andere omgevingsfactoren verzamelen. Die functies zijn afhankelijk van de uitvoering van het systeem.

Robotbestuiving kan telers helpen minder afhankelijk te worden van levende bestuivers in een kas. Zij bestrijdt echter niet vanzelf plagen en maakt pesticiden of andere gewasbeschermingsmaatregelen niet automatisch overbodig.

Er zijn ook beperkingen en risico’s:

• Robotbestuiving kan duur zijn en vervangt natuurlijke bestuivers niet zonder meer op grote schaal. Er bestaan meer dan 250.000 soorten bloemplanten met uiteenlopende relaties tot hun bestuivers; een oplossing voor één gewas werkt niet automatisch voor andere.
• Grootschalig gebruik in de open natuur kan ecologische vragen oproepen. De schade die invasieve uitheemse soorten kunnen veroorzaken, illustreert waarom nieuwe ingrepen zorgvuldig moeten worden beoordeeld; robots zijn daarmee niet zelf een invasieve diersoort.
• Afhankelijkheid van één technisch systeem kan kwetsbaarheid voor storingen of cyberaanvallen vergroten. Ook genetische diversiteit van planten en stuifmeelbronnen is van belang voor weerbaarheid tegen ziekten. Minder diversiteit is geen automatisch gevolg van robotbestuiving, maar hangt af van de teelt- en bestuivingskeuzes.

Uitdagingen voor bestuiving in verticale landbouw

Verticale landbouw begon met hoge verwachtingen. Thomas Graham, onderzoeker naar teelt in gecontroleerde omgevingen aan de University of Guelph in Ontario, zag mogelijkheden om een betekenisvolle bijdrage aan de voeding te leveren. Tegelijk kampten bedrijven met inflatie, stijgende energieprijzen en een hoge, aanhoudende elektriciteitsvraag.

Veel verticale boerderijen slaagden er niet in verder te gaan dan een specifieke reeks producten, die alleen groene gewassen omvatten, zoals sla en kruiden, die minder water vereisen en snel kunnen worden geteeld met behulp van hydroponics. 

Om meer bij te dragen aan voedselvoorziening kan verticale landbouw haar gewasaanbod verbreden. Voor vruchtgewassen die bestuiving nodig hebben, moet dan een geschikte methode worden gekozen. Dat kan natuurlijke, handmatige of mechanische bestuiving zijn; niet elk teeltgewas heeft dierlijke bestuivers nodig.

De in het artikel aangehaalde USDA-publicatie benadrukt het belang van dierlijke bestuivers. Het genoemde aandeel van 35% betreft het mondiale productievolume van gewassen die afhankelijk zijn van bestuivers, niet 35% van alle gewassoorten. Het artikel noemt daarnaast ongeveer 75% van de bloemplanten. Bijen zijn belangrijk — in de Verenigde Staten leven ongeveer 4.000 inheemse bijensoorten — maar ook wespen, motten, vliegen, vlinders, vogels en vleermuizen kunnen bestuiven.

Natuurlijke bestuivers kunnen onder kunstlicht en in gesloten teeltruimten moeilijkheden ondervinden. Ook het gewas en het type bij bepalen hoe goed bestuiving verloopt. Handmatige bestuiving is mogelijk, maar kan door tijd, arbeid en kosten duur zijn.

Hoe robotische bestuivers deze uitdagingen aanpakken

Er zijn verschillende technische benaderingen. Sommige worden commercieel toegepast, terwijl andere nog onderzoeksprototypes zijn.

Robotische bestuivers die lijken op zelfrijdende auto’s

Rijdende onderzoeksrobots kunnen lidar gebruiken om een driedimensionale kaart van de kas te maken en door de rijen te navigeren. Camera’s helpen de planten en bloemen gedetailleerd vast te leggen. De arm nadert vervolgens bloemen die klaar zijn voor bestuiving.

Bij een contactmethode strijkt een kleine borstel met flexibele polyurethaanharen aan het uiteinde van de arm langs de bloem. Zo wordt stuifmeel van de mannelijke naar de vrouwelijke bloemdelen overgebracht. Een database houdt bij welke bloemen al zijn behandeld, om onnodige herhaling te vermijden.

Robotische bestuiving met behulp van AI-aangedreven drones

Een andere benadering gebruikt kleine drones en AI om kenmerken van gewassen te herkennen en te meten. Camera’s verzamelen informatie terwijl de drones langs de planten vliegen. Bij geschikte omstandigheden kan de luchtstroom bloemen laten trillen en stuifmeel losmaken. Dit is vooral bruikbaar bij gewassen waarvan de bloembouw en bestuivingsmechaniek bij zo’n methode passen.

Een lichtgestuurde zachte vliegrobot als onderzoeksconcept

Onderzoekers van Tampere University in Finland presenteerden in 2023 FAIRY: een lichte, door paardenbloemzaden geïnspireerde zachte robot die met de wind meevliegt en met licht kan worden bestuurd. Het was een demonstratie van een vliegend materiaalsysteem, geen bewezen bestuivingsrobot op nanoschaal.

Het kunstmatige zaad bevat een flexibele actuator van lichtgevoelig vloeibaar-kristalelastomeer. Zichtbaar licht laat de borstelharen openen of sluiten. De onderzoekers zagen toekomstmogelijkheden om stuifmeel mee te voeren en naar een gebied te sturen, maar hadden nog geen precieze bestuiving met beladen zaden in de landbouw aangetoond.

Licht kan de vorm veranderen en zo beïnvloeden hoe het systeem op wind reageert en opstijgt of landt. In 2023 moesten onder meer nauwkeurig landen, hergebruik en biologische afbreekbaarheid nog worden onderzocht. Massaproductie voor bestuiving was dus geen gerealiseerde toepassing.

Rijdende bestuivingsrobots: mogelijkheden voor verticale landbouw

Andere robots rijden tussen plantenrijen en geven luchtpulsen af om bloemen te laten trillen. Bij de beschreven systemen stuurde een bediener via een tablet onder meer de verplaatsing tussen rijen aan, naast autonome functies. Ontwikkelaars zagen mogelijkheden voor verdere toepassing in gecontroleerde teeltomgevingen.

De voordelen van het gebruik van robotische bestuivers in verticale landbouw kunnen talrijk zijn. 

Natuurlijke bestuivers, ongeacht hun kosteneffectiviteit en efficiëntie, kunnen virussen verspreiden. Traditionele landbouw maakt vaak gebruik van commercieel geproduceerde bijen als natuurlijke bestuivers. Deze bijen dragen het risico met zich mee dat ze ontsnappen uit gecontroleerde kasomgevingen en wilde bijenpopulaties infecteren, wat een reeds kritisch probleem kan verergeren: de afnemende insectenpopulatie, die wordt aangedreven door klimaatverandering, snelle verstedelijking en pesticidengebruik.

Robotbestuiving kan bepaalde risico’s van het gebruik van commerciële bijenkolonies verminderen. Contactrobots kunnen zelf echter ook hygiëneprocedures nodig hebben. Gestructureerde kassen maken navigatie beter voorspelbaar en beschermen tegen een deel van de weersinvloeden.

Bedrijven in de robotische bestuiversector

Ongeveer driekwart van de belangrijkste gewassoorten profiteert in enige mate van dierlijke bestuiving. Dat is iets anders dan driekwart van het totale voedselproductievolume. Onder meer de volgende bedrijven ontwikkelen bestuivingssystemen:

1. Arugga

Arugga bouwt robots die bloemen herkennen met computer vision en ze met luchtpulsen laten trillen. Het bedrijf gebruikt daarvoor het NVIDIA (NVDA ) Metropolis-platform. Het artikel noemde destijds 5,8 miljoen dollar aan opgehaald kapitaal; dat is een historische gerapporteerde stand, geen actuele financieringssom.

NVIDIA beschreef in 2021 resultaten die vergelijkbaar waren met hommelbestuiving en in sommige gevallen tot 5% beter. Dat waren gerapporteerde proefresultaten, geen universele opbrengstgarantie. De robots kunnen daarnaast gegevens verzamelen en analyseren.

Volgens dezelfde bron rapporteerde Arugga in Australië tot 20% meer opbrengst ten opzichte van handmatige bestuiving, zonder kwaliteitsverlies. Dat is een andere vergelijking dan die met hommels. Polly werd commercieel ingezet voor kastomaten; toepassingen bij aardbeien, blauwe bessen en andere gewassen waren uitbreidingsmogelijkheden, niet allemaal bewezen commerciële inzet.

Het artikel meldde in 2023 dat Agrifutura’s Finse tomatenkas van 4,6 hectare volledig op robotbestuiving was overgeschakeld, door het bedrijf gepresenteerd als een wereldprimeur. Een eerdere bedrijfsmededeling beschreef de overeenkomst om robots in die kas in te zetten.

2. Yamaha Motor

Yamaha Motor is al lange tijd een speler in de modernisering van de landbouw en werkt aan oplossingen voor de krimpende en verouderende landbouwbevolking van Japan. Het bedrijf ontwikkelt industriële onbemande helikopters, landbouwdrones, automatisch geleide ondersteuningsvoertuigen, robotarmen en meer. 

In december 2022 beschreef Yamaha de ontwikkeling van voertuigen voor snoeien, bestuiven, vruchtdunnen, oogsten en andere werkzaamheden in boomgaarden. Yamaha investeerde in december 2017 twee miljoen dollar in het Nieuw-Zeelandse Robotics Plus en voegde in november 2018 acht miljoen toe, samen tien miljoen. Robotics Plus ontwikkelde onder meer onbemande grondvoertuigen, bestuivingsrobots, oogst- en verpakkingssystemen.

Het artikel gaf voor Yamaha Motor (YAMHF) een historische koers van ongeveer 25 dollar, een stijging sinds het begin van het jaar van 9,29%, een dividendrendement van 3,79% en een koers-winstverhouding over de voorafgaande twaalf maanden van 6,20. Dit waren artikelgegevens uit 2023, geen actuele beurskoersen.

3. Edete Precision

Edete biedt kunstmatige bestuiving als dienst aan. In een proef in een Californische pistacheboomgaard in 2021 rapporteerde het bedrijf gemiddeld 24% meer opbrengst ten opzichte van controlegroepen, als aanvulling op windbestuiving. Het 2Be-systeem verspreidt tijdens de bloei gecontroleerde kleine hoeveelheden stuifmeel. Het artikel beschreef pistache als aandachtspunt en amandelen, kersen en avocado’s als toenmalige uitbreidingsplannen.

4. HarvestX

Het Japanse HarvestX ontwikkelt robotica en AI voor onder meer automatische bestuiving van aardbeien. Het kondigde in maart 2022 een financieringsronde van 150 miljoen yen aan; dat is niet noodzakelijk het cumulatieve totaal van al zijn financiering. Het gaat om de historische ontwikkelingsfase die het artikel beschrijft.

HarvestX gebruikt 3D-modellen en gerenderde beelden om trainingsgegevens over de richting van bloemen te maken. Het bedrijf analyseert daarnaast met neurale netwerken het gedrag van bijen en verwerkt relevante bewegingskenmerken in bestuivingsalgoritmen. Dit zijn verwante technieken, geen enkel identiek algoritme.

Robotische bestuivers in verticale landbouw: wat de toekomst brengt

Om robotische bestuivers hun ware potentieel te laten bereiken, is meer werk nodig om hun reikwijdte uit te breiden. Ze moeten hun effectiviteit aantonen in een breed scala aan gewasproductiescenario’s. Aangezien elke plant of elk gewas zijn eigen complexiteit heeft, staan ontwikkelaars voor de uitdaging deze technologieën aan te passen voor gewassen die verschillende bestuivingsmethoden vereisen.

Bloemen zijn kwetsbaar. Verkeerd gerichte mechanische bewegingen of luchtstromen kunnen ze beschadigen. Groepen planten tegelijk behandelen kan de positionering vereenvoudigen, maar gewassen die heel precieze bestuiving nodig hebben vragen om zorgvuldig afgestemde individuele behandeling.

Samenwerking met experts zoals entomologen en landbouwwetenschappers is cruciaal om deze robotische oplossingen flexibeler en aanpasbaarder te maken. Ondanks deze inspanningen betekent de enorme diversiteit aan gewassen, fruit en groenten die essentieel zijn voor onze dagelijkse consumptie dat er nog steeds veel werk te doen is.

Bovendien moeten deze robotische oplossingen zich aanpassen aan de veranderende omstandigheden door klimaatverandering om efficiëntie te behouden. Betaalbaarheid is een andere cruciale factor; toegankelijkere prijzen zouden de toetredingsdrempels in de competitieve en voortdurend evoluerende landbouwindustrie verlagen.

Robotbestuiving kan meegroeien met verticale landbouw. Die teeltvorm hoeft traditionele landbouw niet geheel te vervangen om nuttig te zijn: zij kan in beperkte ruimten bepaalde gewassen produceren en bestaande methoden aanvullen. Als die aanvullende rol groeit, ontstaan meer kansen voor geschikte bestuivingstechnieken.

Klik hier om te leren hoe robotica de landbouw verandert zoals we die vandaag de dag kennen.