Kan robotpollinatörer spela en roll i vertikal odling?

Vertikalodlingsmarknaden är på väg mot exponentiell tillväxt och expanderar från ett värde på 5,6 miljarder dollar till ett förväntat 35 miljarder år 2032 — nästan en sju gånger ökning inom ett decennium. För att kapitalisera på denna växande marknad är innovation och användning av avancerad teknik avgörande. Robotpollinatörer, eller ‘robotbina’, framträder som potentiellt transformerande inom detta område.

Men för att förstå den potential som robotpollinatörer har för vertikal odling, måste vi ha en klar bild av vad dessa kategorier betyder. Vi kommer därför att inleda diskussionen med korta översikter av vad vertikal odling och robotpollinatörer innebär.

Vad är vertikal odling?

Vertikal odling är en jordbruksmetod/teknik för att odla grödor i vertikalt staplade lager. Traditionellt jordbruk har varit horisontellt, med grödor odlade på jordbruksmark. Men eftersom den bördiga markens yta på planeten är konstant och den globala befolkningen ökar stadigt, har vertikal odling framträtt som en lösning, främst utförd i en kontrollerad miljö med tekniker som akvaponik, hydroponik och aeroponik som gör jordens behov i odlingen överflödig.

Numera kan vi hitta vertikala gårdar i byggnader, i fraktcontainrar och till och med under marken, kända som Deep Farms.

Fördelarna med vertikal odling är många. Den är mer effektiv, väderbeständig och ett hälsosammare alternativ ur ett miljöskyddsperspektiv. Den kräver ingen avskogning, som ofta är en föregångare till traditionella jordbrukscykler, och den kräver inte heller många konventionella jordbruksaktiviteter med hög koldioxidavtryck, inklusive plöjning, plantering och skörd med jordbruksmaskiner.

Konceptet vertikal odling introducerades av Dickson Despommier år 1999, vilket markerade början på vad som nu är ett framväxande tillämpningsområde. Det är denna grund som sätter vertikal odling på dess väg att utvecklas och diversifieras under de kommande åren.

Klicka här för att lära dig mer om vertikal odling.

Vad är robotpollinatörer?

Kort sagt liknar robotpollinatörer överdimensionerade bin utrustade med hjul och en arm. Denna teknologiska innovation är utformad för att tackla det akuta problemet med brist på naturliga pollinatörer, såsom bin, vilket utgör en betydande utmaning för den globala livsmedelsproduktionen. Som svar på denna utmaning utvecklade forskare vid West Virginia University en robotpollinatör.

Modellen skapad av Yu Gu, docent vid institutionen för maskin- och rymdteknik på universitetet, har en sexarmig robot avsedd att assistera med pollinering i växthusmiljöer, anpassad för en mängd olika grödor. Robotpollinatörernas syfte är tvådelat.

Deras omedelbara syfte är att utföra de repetitiva, tidskrävande och arbetsintensiva uppgifterna med blominspektion, kartläggning, pollinering och utvecklingsspårning, vilket frigör jordbrukare att fokusera på plantering, bevattning och skadedjurskontroll.

På lång sikt syftar robotpollinatören till att vårda individuella grödor med optimerad effektivitet, säkerställa livsmedelsproduktion under perioder av insektsnedgång och erbjuda mervärdestjänster såsom spårning av gröddata.

Den kartlägger miljön, och när roboten har en allmän uppfattning om miljön kommer den att bygga upp en mer detaljerad kartläggning av växterna och veta var blommorna är och vilken blomma som behöver pollineras.

När vi tar hänsyn till dessa kapaciteter, låt oss undersöka hur robotpollinatörer kan bidra till vertikal odling.

Fördelar och nackdelar med robotpollinatörer

Robotpollinatörer har potential att erbjuda en rad fördelar för jordbruksindustrin.

Genom att arbeta 24/7 erbjuder robotpollinatörer större effektivitet än människor, minskar arbetskostnader och ökar livsmedelsavkastningen. De kan arbeta kontinuerligt, dag och natt, även under hårda förhållanden. Dessutom ger deras förmåga att samla in och analysera gröddata odlare exakt kontroll över deras odling, vilket möjliggör mer informerade jordbruksl beslut.

Samma teknologiska uppfinningsrikedom som gör att dessa robotpollinatörer kan fungera autonomt möjliggör deras anpassning för specifika jordbrukssysslor. De kan skalas upp eller ner beroende på grödans storlek och pollineringsbehov på gårdar. Dessa maskiner kan också pollinera specifika växter eller områden mer exakt än traditionella metoder, vilket förbättrar resurseffektiviteten och livsmedelsavkastningen.

Förutom pollinering kan dessa robotar även mäta luft, vatten och andra miljöfaktorer i realtid, vilket bidrar till säkrare och mer hållbart jordbruk.

Genom att eliminera behovet av bekämpningsmedel eller andra toxiner tilltalar robotpollinatörer jordbrukare som vill minska sina miljöpåverkan och förbättra sina verksamheter.

Men naturligtvis är robotpollinatörer inte utan problem:

• Trots de senaste teknologiska framstegen är robotpollinering kostsam och långt ifrån att kunna ersätta naturliga pollinatörer såsom bin för att effektivt befrukta grödor. Dessutom finns det över 250 000 arter av blommande växter på planeten, och de interagerar alla på unika sätt med pollenväktare.
• Eftersom främmande invasiva arter orsakar utdöende och stör ekosystemfunktioner och -tjänster, kan robotpollinering skada bredare ekosystem.
• Att förlita sig på en enda pollinatör ökar sårbarheten genom tekniska fel eller cyberattacker, vilket i sin tur kan leda till allvarlig livsmedelsosäkerhet. Dessutom kan minskad genetisk mångfald påverka blommans förmåga att motstå sjukdomar och göra dem mindre friska.

Utmaningar med pollinering i vertikal odling

Vertikal odling startade med stor pompa. Thomas Graham, en forskare inom kontrollerad miljöodling vid University of Guelph i Ontario, trodde att vertikala gårdar “kunde bidra med en meningsfull mängd till våra dieter.” Trots att den startade med mycket hopp och pompa, har vertikal odling mött sin del av utmaningar. Dessa utmaningar inkluderade inflation, stigande energipriser, konstant efterfrågan på betydande el och mer.

Många vertikala gårdar misslyckades med att gå bortom ett specifikt utbud, som bara inkluderade gröna grödor, såsom sallad och örter, som krävde mindre vatten och kunde odlas snabbt med hjälp av hydroponik.

För att vertikala odlingsmetoder ska uppnå sin verkliga potential och ta ett meningsfullt steg mot att lösa livsmedelsosäkerhetens utmaningar, måste de bredda sortimentet av grödor de erbjuder och hjälper att producera. Denna expansion skulle inte vara möjlig utan pollinatörernas hjälp.

Enligt en studie publicerad av National Institute of Food and Agriculture, United States Department of Agriculture, beror cirka 75 % av världens blommande växter och 35 % av världens livsmedelsgrödor på djurpollinatörer för att producera. Medan bin är den mest framträdande typen av pollinatörer – med över 4 000 arter av bin i Amerika – som hjälper till att öka grödans avkastning, inkluderar pollinatörer även getingar, nattfjärilar, flugor, fjärilar, fåglar, fladdermöss och mer.

Dessa naturliga pollinatörer har svårt att utföra sitt arbete i vertikal odling. Domesticerade honungsbin, en av de mest populära pollinatörerna för kommersiellt jordbruk, har problem med att navigera under artificiellt ljus. Handpollinering är också inte ekonomiskt hållbart eftersom det kräver mycket tid, ansträngning och kostnad.

Hur robotpollinatörer tacklar dessa utmaningar

Det har funnits mer än ett sätt på vilket robotpollinatörer kan fungera. Vi kommer att titta på några av de verkliga användningsfallen där robotpollinatörer har implementerats framgångsrikt.

Robotpollinatörer som liknar självkörande bilar

Dessa typer av robotpollinatörer utnyttjar Light Detection and Ranging-teknik (LIDAR) till att börja med. De använder först laser för att skapa en tredimensionell karta över växthuset för att bestämma sin väg. Den rör sig genom växthusraderna för att nå så många blommor som möjligt med sin arm och fångar högupplösta, tredimensionella kartor av grödorna. När den lokaliserar eller identifierar blommorna som är redo för pollinering, går den vidare till nästa fas.

Den använder en liten, tredimensionellt utskriven borste med flexibla polyuretanborstar i slutet av sin arm för att försiktigt smeka blommorna. Detta resulterar i överföring av pollen från de manliga reproduktionsorganen, och pollineringen påbörjas. Robotens minne hjälper den att komma ihåg redan pollinerade växter så att den inte upprepar sig och får jobbet gjort så snabbt som möjligt.

Robotpollinering med AI-drivna drönare

Ett annat tillvägagångssätt för robotpollinering har baserats på att utnyttja mini-droner. Den använder AI-drivet mjukvara för att styra dessa drönare att känna igen och mäta viktiga egenskaper hos växterna. Dessa drönare flyger nära plantorna och använder kamerasensorer för att samla in den nödvändiga informationen. När de atmosfäriska förhållandena inne i växthuset är optimala för pollinering, börjar drönarna störa luften omkring dem. Den skakade luften får blommorna att vibrera, vilket så småningom skakar loss pollenet och initierar pollinering.

Nanorobotpollinatör

Forskare från Tampere University i Finland har utvecklat en typ av nanorobotpollinatör som fungerar på principen av aero-robotik baserad på ljuskänsliga materialens sammansättning. Med andra ord är detta flygande robotar baserade på en sammansättning av ljuskänsliga material.

Ljus fungerar som en styrmekanism för dessa robotar, som riktar in sig på områden som kräver pollinering. Denna metod har visat sig effektiv för exakt spridning av artificiella frön laddade med pollen. Varje artificiellt frö är utrustat med en flexibel aktuator av ljuskänsliga flytande kristall-elastomerer, som får hårstråna att öppna eller stänga sig vid exponering för synligt ljus.

Användningen av ljus möjliggör också för robotpollinatörerna att förändra formen på den mjuka robotens struktur, vilket gör att den kan anpassa sig till vindens kraft och riktning. Även om den ännu inte är tillgänglig för massproduktion, kräver denna robotteknik fortfarande ytterligare förfining av dess förmåga att landa frön.

Rörliga markrobot-pollinatörer: En potentiell kandidat i vertikal odlingslösningsområdet

Teknikutvecklare har också introducerat markrörliga robotpollinatörer som rör sig mellan rader av växter och avger luftpulser för att underlätta pollinering. Även om de fortfarande befinner sig i en utvecklingsfas som kräver mänskliga operatörer för att hantera robotarnas rörelse mellan rader via en surfplatta, har dessa maskiner redan uppnått en tillfredsställande nivå av autonomi. Utvecklarna tror att dessa robotar snart kan bli effektiva i vertikala odlingsuppställningar.

Fördelarna med att använda robotpollinatörer i vertikal odling kan vara flera.

Naturala pollinatörer, oavsett deras kostnadseffektivitet och effektivitet, kan sprida virus. Traditionellt jordbruk använder ofta kommersiellt producerade bin som naturliga pollinatörer. Dessa bin medför risken att de rymmer från kontrollerade växthusmiljöer och infekterar vilda binpopulationer, vilket potentiellt förvärrar ett redan kritiskt problem: den minskande insektspopulationen, som drivs av klimatförändringar, snabb urbanisering och bekämpningsmedelsanvändning.

Robotpollinatörer kan hjälpa till att stoppa spridningen av dessa infektioner. De är också mycket effektiva när de rör sig i strukturerade miljöer och undviker oförutsägbart väder och temperaturer.

Företag inom robotpollinatörsområdet

Eftersom över 75 % av världens livsmedelsgrödor förlitar sig, åtminstone delvis, på pollinering av insekter och andra djur, arbetar företag ivrigt med robotpollinatörer, inklusive:

1. Arugga

Detta företag, som hittills har samlat in 5,8 miljoner dollar, bygger AI-drivna robotar som använder datorseende, utvecklat via NVIDIA (NVDA ) Metropolis-plattformen, för att identifiera blommor som är redo för pollinering och sedan initiera processen genom att skjuta luftpulser mot dem.

Medan robotarnas prestanda är i nivå med humlor och i vissa fall bättre med upp till 5 %, kommer den också med förmågan att samla in och analysera data under processen.

Aruggas robotar har demonstrerat avkastningsförbättringar på upp till 20 % utan att kompromissa med kvaliteten. Dess rörliga markrobot, Polly, fungerar med jordgubbar, blåbär, tomater och andra grödor.

Nyligen konverterade företaget den finska Agrifutura’s 4,6 hektar stora växthuset till världens första anläggning som fullt utnyttjar robotpollineringsteknik.

2. Yamaha Motor

Yamaha Motor har länge varit en aktör i moderniseringen av jordbruket och har arbetat med lösningar för Japans minskande och åldrande jordbrukspopulation. Företaget har utvecklat industriella obemannade helikoptrar, jordbruksdroner, auto-guiderade stödfordon, robotarmar och mer.

I december 2022 sade Yamaha: “Vi utvecklar fordon som omedelbart är redo för användning i beskärning, pollinering, fruktutplockning, skörd och andra uppgifter i sådana fruktträdgårdar.” För några år sedan investerade ett japanskt tillverkningsföretag 10 miljoner dollar i Robotics Plus, som utvecklar allmänna UGV:er samt robotpollinatörer, skördemaskiner och förpackningssystem.

Yamaha Motor-aktier (YAMHF) handlas för närvarande till 25 $, upp 9,29 % år‑till‑datum, med en utdelningsavkastning på 3,79 % och ett P/E (TTM) på 6,20.

3. Edete Precision

Denna agri‑tech startup bygger robotpollinatörer och erbjuder artificiell pollinering som en tjänst (APaS). Genom att komplettera vindpollinering ökade Edete Precision avkastningen i en pistagenodling i Kalifornien med 24 %. Företagets robotiska 2BeTM-pollinatör utför artificiell pollinering genom att distribuera noggrant kontrollerade och hanterade miniatyrpollenmängder under blomningssäsongen. För närvarande fokuserar de på pistagenötter, men Edete planerar att gå över till mandlar, körsbär och avokado.

4. HarvestX

Efter att ha samlat in 150 miljoner yen hittills utvecklar det Japan-baserade HarvestX robotik- och AI-teknologier för att lösa olika problem som finns inom jordbruksindustrin. Detta inkluderar automatiserad pollinering av jordgubbar med robotar.

Företaget har utvecklat en maskininlärningsteknik som använder 3D-modeller och renderade bilder för att generera övervakade data om blomsters orientering. Genom att tillämpa ett neuralt nätverk extraherar det funktionerna i binas pollineringsbeteende och tillämpar dem sedan på pollineringsalgoritmer.

Robotpollinatörer i vertikal odling: Vad framtiden bär med sig

För att robotpollinatörer ska uppnå sin verkliga potential är mer arbete med att bredda deras räckvidd avgörande. De måste demonstrera sin effektivitet över ett brett spektrum av grödscenarier. Med tanke på att varje växt eller gröda har sina egna komplexiteter står utvecklare inför utmaningen att anpassa dessa teknologier för grödor som kräver olika pollineringsmetoder.

Den känsliga naturen i detta arbete förvärras av de risker som är förknippade med fjärrstyrning av mekaniska lösningar, vilka potentiellt kan skada växtligheten. En lösning för att mildra denna risk kan innebära att pollinatörer arbetar med kluster av växter eller grödor, vilket kräver mindre precision. Å andra sidan kan individuell uppmärksamhet på grödor, särskilt de som kräver exakt pollinering, vara mer utmanande på grund av risken att luftflödet stör driften.

Samarbete med experter såsom entomologer och jordbruksvetenskapsmän är nyckeln till att göra dessa robotlösningar mer flexibla och anpassningsbara. Trots dessa insatser innebär den stora mångfalden av grödor, frukter och grönsaker som är nödvändiga för vår dagliga konsumtion att det fortfarande finns mycket arbete kvar att göra.

Dessutom måste dessa robotlösningar anpassa sig till de förändrade förhållanden som klimatförändringarna medför för att behålla effektiviteten. Prisvärdhet är en annan kritisk faktor; mer tillgängliga priser skulle sänka inträdesbarriärerna i den konkurrensutsatta och ständigt utvecklande jordbruksindustrin.

Robotpollinatörernas framtid är också starkt kopplad till tillväxten av vertikal odling. Även om många experter ännu inte ser vertikal odling som en ersättning för traditionellt jordbruk, erkänner de dess livskraft för att effektivt odla grödor i begränsade utrymmen. Om vertikal odling börjar komplettera traditionella metoder i betydande grad, skulle möjligheterna för robotpollinatörer expandera, vilket banar väg för diverse innovationer inom området.

Klicka här för att lära dig hur robotik förändrar jordbruket som vi känner det idag.