Kunnen robotische bestuivers een rol spelen in verticale landbouw?

De markt voor verticale landbouw staat op het punt exponentiële groei te ervaren, en groeit van een waardering van 5,6 miljard dollar tot een verwachte 35 miljard tegen 2032 — bijna een zevendaagse toename binnen een decennium. Om van deze snelgroeiende markt te profiteren, zijn innovatie en het gebruik van geavanceerde technologieën essentieel. Robotische bestuivers, of ‘robotische bijen’, vallen op als potentieel transformerend in dit domein.

Maar om het potentieel van robotische bestuivers voor verticale landbouw te begrijpen, moeten we een duidelijk beeld hebben van wat deze categorieën betekenen. We zullen daarom de discussie beginnen met korte overzichten van wat verticale landbouw en robotische bestuivers betekenen.

Wat is verticale landbouw?

Verticale landbouw is een landbouwmethode/techniek om gewassen te verbouwen in verticaal gestapelde lagen. Traditionele landbouw is horizontaal geweest, met gewassen geteeld op landbouwgrond. Echter, aangezien het gebied aan vruchtbare grond op deze planeet constant is en de wereldbevolking gestaag toeneemt, is verticale landbouw naar voren gekomen als een oplossing, meestal uitgevoerd in een gecontroleerde omgeving met technieken zoals aquaponics, hydroponics en aeroponics die de noodzaak van bodem in de landbouw overbodig maken. 

Tegenwoordig vinden we verticale boerderijen in gebouwen, op scheepscontainers en zelfs onder de grond, bekend als Deep Farms. 

De voordelen van verticale landbouw zijn talrijk. Het is efficiënter, weerbestendig en een gezonder alternatief vanuit het perspectief van milieubehoudsinspanningen. Het vereist geen ontbossing, vaak een voorloper van traditionele landbouwcycli, en het vereist ook niet veel conventionele landbouwactiviteiten met een hoge CO2-voetafdruk, waaronder ploegen, planten en oogsten met landbouwmachines. 

Het concept van verticale landbouw werd in 1999 geïntroduceerd door Dickson Despommier, waarmee het begin van wat nu een opkomend toepassingsgebied is, werd gemarkeerd. Het is dit fundament dat verticale landbouw op haar pad zet om zich in de komende jaren te ontwikkelen en te diversifiëren. 

Klik hier om meer te leren over verticale landbouw.

Wat zijn robotische bestuivers?

Kort samengevat lijken robotische bestuivers op overgrote bijen uitgerust met wielen en een arm. Deze technologische innovatie is ontworpen om het dringende probleem van schaarste aan natuurlijke bestuivers, zoals bijen, aan te pakken, wat een aanzienlijke uitdaging vormt voor de wereldwijde voedselproductie. Als reactie op deze uitdaging hebben onderzoekers van West Virginia University een robotische bestuiver ontwikkeld.

Het model, gecreëerd door Yu Gu, een universitair hoofddocent aan de afdeling Werktuigbouwkunde en Lucht- en Ruimtevaarttechniek, beschikt over een robot met zes armen die bedoeld is om te helpen bij bestuiving in kasomgevingen, geschikt voor diverse gewassen. Het doel van robotische bestuivers is tweeledig.

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 de lange termijn streeft de robotische bestuiver ernaar individuele gewassen te verzorgen met geoptimaliseerde efficiëntie, voedselproductie te waarborgen tijdens periodes van insectenafname, en toegevoegde diensten te bieden zoals het volgen van gewasdata. Discussing the operational vision of the robotic pollinator, Yu Gu stated:

“Het maakt een kaart van de omgeving, en zodra de robot een algemeen idee van de omgeving heeft, zal hij een meer gedetailleerde mapping van de planten opbouwen en weten waar de bloemen zijn en welke bloem bestoven moet worden.”

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.

Door 24/7 te opereren, bieden robotische bestuivers een grotere efficiëntie dan mensen, waardoor arbeidskosten worden verlaagd en de voedselopbrengst wordt verhoogd. Ze kunnen continu werken, dag en nacht, zelfs onder zware omstandigheden. Bovendien geeft hun vermogen om gewasdata te verzamelen en analyseren telers precieze controle over hun teelt, waardoor meer onderbouwde landbouwbeslissingen mogelijk worden.

Dezelfde technologische vindingrijkheid die deze robotische bestuivers in staat stelt autonoom te functioneren, maakt hun aanpassing voor specifieke landbouwtaken mogelijk. Ze kunnen worden opgeschaald of verkleind afhankelijk van de grootte van het gewas en de bestuivingsbehoeften op boerderijen. Deze machines kunnen ook specifieke planten of gebieden nauwkeuriger bestuiven dan traditionele methoden, waardoor de hulpbronnenefficiëntie en voedselopbrengst verbeteren.

Naast bestuiving kunnen deze robots ook in realtime lucht, water en andere omgevingsfactoren meten, wat bijdraagt aan veiliger en duurzamer boeren.

Door de noodzaak van pesticiden of andere toxines te elimineren, spreken robotische bestuivers telers aan die hun milieueffecten willen verminderen en hun bedrijfsvoering willen verbeteren.

Maar, natuurlijk, hebben robotische bestuivers ook nadelen:

• Ondanks recente technologische vooruitgang is robotische bestuiving kostbaar en verre van in staat natuurlijke bestuivers zoals bijen efficiënt te vervangen bij de bevruchting van gewassen. Bovendien zijn er meer dan 250.000 soorten bloemplanten op de planeet, en ze interageren allemaal op unieke wijze met pollenvectoren.
• Aangezien invasieve buitenaardse soorten uitstervingen veroorzaken en ecosysteemfuncties en -diensten verstoren, zou robotische bestuiving bredere ecosystemen kunnen beschadigen.
• Het vertrouwen op één enkele bestuiver vergroot de kwetsbaarheid door falen van complexe technologie of cyberaanvallen, wat op zijn beurt kan leiden tot ernstige voedselonzekerheid. Bovendien kan het verminderen van genetische diversiteit de weerstand van bloemen tegen bijvoorbeeld ziektes beïnvloeden en ze minder gezond maken.

Uitdagingen voor bestuiving in verticale landbouw

Verticale landbouw begon met veel opschudding. Thomas Graham, een onderzoeker op het gebied van gecontroleerde omgeving landbouw aan de Universiteit van Guelph in Ontario, geloofde dat verticale boerderijen “het potentieel hadden om een betekenisvolle bijdrage aan ons dieet te leveren.” Hoewel het met veel hoop en opschudding begon, kreeg verticale landbouw zijn deel van uitdagingen. Deze uitdagingen omvatten inflatie, stijgende energieprijzen, een constante vraag naar aanzienlijke elektriciteit, en meer. 

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 de ware potentie van verticale landbouwpraktijken te bereiken en een betekenisvolle poging te doen de uitdagingen van voedselonzekerheid op te lossen, moeten ze het scala aan gewassen dat ze aanbieden verbreden. Deze uitbreiding zou niet mogelijk zijn zonder de hulp van bestuivers. 

Volgens een studie gepubliceerd door het National Institute of Food and Agriculture, United States Department of Agriculture, is ongeveer 75% van de wereldwijde bloemplanten en 35% van de wereldwijde voedselgewassen afhankelijk van dierlijke bestuivers voor productie. Terwijl bijen de meest prominente soort bestuivers zijn – met meer dan 4.000 bijensoorten in Amerika – die helpen de gewasopbrengst te verhogen, omvatten bestuivers ook wespen, motten, vliegen, vlinders, vogels, vleermuizen en meer. 

Deze natuurlijke bestuivers vinden het moeilijk om hun taak uit te voeren in verticale landbouw. Gedomesticeerde honingbijen, een van de meest populaire bestuivers voor commerciële landbouw, hebben moeite met navigeren onder kunstlicht. Handmatige bestuiving is ook niet economisch haalbaar omdat het veel tijd, moeite en kosten kost.

Hoe robotische bestuivers deze uitdagingen aanpakken

Er zijn meer dan één manier waarop robotische bestuivers kunnen werken. We zullen enkele praktijkvoorbeelden bekijken waarin robo-bestuivers met succes zijn ingezet. 

Robotische bestuivers die lijken op zelfrijdende auto’s

Deze soorten robotische bestuivers maken eerst gebruik van Light Detection and Ranging-technologie (LIDAR). Ze gebruiken eerst lasers om een driedimensionale kaart van de kas te maken om zich te oriënteren. Het beweegt zich door de rijen van de kas om zoveel mogelijk bloemen te bereiken met zijn arm en legt hoger-resolutie, driedimensionale kaarten van de gewassen vast. Zodra het de bloemen die klaar zijn voor bestuiving locateert of identificeert, gaat het naar de volgende fase. 

Het gebruikt een kleine, driedimensionaal geprinte borstel van flexibele polyurethaanborstels aan het uiteinde van zijn arm om de bloesems zachtjes te strelen. Dit resulteert in de overdracht van het stuifmeel van de mannelijke voortplantingsorganen, en de bestuiving begint. Het geheugen van de robot helpt hem zich reeds bestoven planten te herinneren zodat hij zich niet herhaalt en de taak zo snel mogelijk voltooit.

Robotische bestuiving met behulp van AI-aangedreven drones

Een andere benadering van robotische bestuiving is gebaseerd op het benutten van mini-drones. Het maakt gebruik van AI-aangedreven software om deze drones te sturen om vitale kenmerken van gewassen te herkennen en te meten. Deze drones vliegen dicht bij de planten en gebruiken camerasensoren om de benodigde informatie vast te leggen. En wanneer de atmosferische omstandigheden in de kas optimaal zijn voor bestuiving, beginnen de drones de lucht eromheen te verstoren. De geschudde lucht veroorzaakt dat de bloemen trillen, waardoor uiteindelijk het stuifmeel eruit wordt geschud en de bestuiving begint. 

Nanorobot-bestuiver

Onderzoekers van de Universiteit van Tampere, Finland, hebben een type nanorobot-bestuiver ontwikkeld dat werkt op basis van het principe van aero-robotica gebaseerd op een samenstelling van lichtresponsieve materialen. Met andere woorden, dit zijn vliegende robots gebaseerd op een assemblage van lichtgevoelige materialen. 

Licht dient als een controlemechanisme voor deze robots, die zich richten op gebieden die bestuiving nodig hebben. Deze methode heeft zich effectief bewezen voor de precieze verspreiding van kunstmatige zaden beladen met stuifmeel. Elk kunstmatig zaad is uitgerust met een flexibele actuator gemaakt van lichtgevoelige vloeibare kristal elastomeren, die de haren laten openen of sluiten bij blootstelling aan zichtbaar licht.

Het gebruik van licht maakt het ook mogelijk voor de robotbestuivers om de vorm van de zachte robotstructuur te wijzigen, waardoor hij zich kan aanpassen aan de kracht en richting van de wind. Hoewel nog niet beschikbaar voor massaproductie, vereist deze robottechnologie nog verdere verfijning van de landingsmogelijkheden van de zaden.

Rondzwervende grondrobot-bestuivers: een potentiële concurrent in de verticale landbouwoplossingsruimte

Technologieontwikkelaars hebben ook grondroverende robotbestuivers geïntroduceerd die zich tussen de rijen planten bewegen en luchtpulsen uitstoten om bestuiving te vergemakkelijken. Hoewel ze zich nog in een ontwikkelingsfase bevinden die menselijke operators vereist om de beweging van de robots tussen de rijen via een tablet te beheren, hebben deze machines al een bevredigend niveau van autonomie bereikt. De ontwikkelaars geloven dat deze robots binnenkort effectief kunnen worden in verticale landbouwopstellingen.

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.

Robotische bestuivers kunnen helpen deze infecties te stoppen. Ze zijn ook zeer effectief bij het bewegen in gestructureerde omgevingen en het vermijden van onvoorspelbaar weer en temperaturen. 

Bedrijven in de robotische bestuiversector

Gezien het feit dat meer dan 75% van de wereldwijde voedselgewassen, althans in enige mate, afhankelijk is van bestuiving door insecten en andere dieren, werken bedrijven gretig aan robotische bestuivers, waaronder:

1. Arugga

Dit bedrijf, dat tot nu toe $5,8 miljoen heeft opgehaald, bouwt AI-aangedreven robots die computer vision gebruiken, ontwikkeld via het NVIDIA (NVDA ) Metropolis-platform, om bloemen die klaar zijn voor bestuiving te identificeren en vervolgens het proces te starten door luchtpulsen op hen af te vuren.

Hoewel de prestaties van de bots gelijk zijn aan die van hommels en in sommige gevallen tot 5% beter, gaat dit ook gepaard met het vermogen om onderweg data te verzamelen en te analyseren. 

De robots van Arugga hebben een opbrengstverbetering van tot wel 20% aangetoond zonder concessies te doen aan kwaliteit. Zijn rondzwervende grondrobot, Polly, werkt met aardbeien, bosbessen, tomaten en andere gewassen. 

Onlangs heeft het bedrijf de 4,6 hectare grote kas van het Finse Agrifutura omgebouwd tot de eerste faciliteit ter wereld die volledig gebruikmaakt van robotische bestuivingstechnologie. 

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 zei Yamaha: “We ontwikkelen voertuigen die direct klaar zijn voor gebruik bij snoeien, bestuiving, dunnen van fruit, oogsten en andere taken in dergelijke boomgaarden.” Een paar jaar geleden investeerde een Japans productiebedrijf $10 miljoen in Robotics Plus, dat algemene UGV’s en robotische bestuivers, oogstmachines en verpakkingssystemen ontwikkelt. 

Yamaha Motor-aandelen (YAMHF) worden momenteel verhandeld tegen $25, een stijging van 9,29% YTD, met een dividendrendement van 3,79% en een P/E (TTM) van 6,20.

3. Edete Precision

Deze agri-tech startup bouwt robotische bestuivers en biedt kunstmatige bestuiving als een dienst (APaS) aan. Door windbestuiving aan te vullen, heeft Edete Precision de opbrengsten in een pistacheboomgaard in Californië met 24% verhoogd. De robotische 2BeTM-bestuiver van het bedrijf voert kunstmatige bestuiving uit door nauwkeurig gecontroleerde en beheerde minuscule pollenhoeveelheden te distribueren tijdens het bloeiseizoen. Momenteel gericht op pistachenoten, wil Edete uitbreiden naar amandelen, kersen en avocado’s.

4. HarvestX

Met tot nu toe opgehaalde 150 miljoen yen ontwikkelt het in Japan gevestigde HarvestX robotica- en AI-technologieën om diverse problemen in de landbouwsector op te lossen. Dit omvat de geautomatiseerde bestuiving van aardbeien door robots. 

Het bedrijf heeft een machine-learningtechniek ontwikkeld die 3D-modellen en gerenderde afbeeldingen gebruikt om gesuperviseerde data over de oriëntatie van bloemen te genereren. Door een neuraal netwerk toe te passen, haalt het de kenmerken van het bestuivingsgedrag van bijen eruit en past deze vervolgens toe op bestuivingalgoritmen.

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.

De delicate aard van dit werk wordt verergerd door de risico’s die gepaard gaan met remote sturing van mechanische oplossingen, die mogelijk de flora kunnen beschadigen. Een oplossing om dit risico te beperken kan zijn dat bestuivers werken met clusters van planten of gewassen, wat minder precisie vereist. Aan de andere kant kan individuele aandacht voor gewassen, vooral diegene die precieze bestuiving nodig hebben, uitdagender zijn vanwege de mogelijkheid dat luchtstromen de werking verstoren.

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.

De toekomst van robotische bestuivers is nauw verbonden met de groei van verticale landbouw. Hoewel veel experts verticale landbouw nog niet zien als vervanging van traditionele landbouw, erkennen ze de levensvatbaarheid ervan voor het effectief verbouwen van gewassen in beperkte ruimtes. Als verticale landbouw aanzienlijk begint te complementeren met traditionele methoden, zouden de kansen voor robotische bestuivers zich uitbreiden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor diverse innovaties op dit gebied.

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