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为兴趣而生，贴吧更懂你。或农业的未来，真要用机器人取代农民吗？ | 科学人 | 果壳网 科技有意思
农业的未来，真要用机器人取代农民吗？
农业机器人，下一场工业革命
新一代农民：智能自动化机器人
用智能机器人耕作土地种植作物，会是农业未来的发展方向吗？图片来源：
（文/James Mitchell Crow）下一次你站在超级市场的收银台前排队时，不妨想一想把你的菜篮装满的那些农民。这段时间，他们的日子可不好过，你也肯定要为此在食物上增加支出；对于全世界几百万三餐不继的饥民来说，这就更加是生死攸关的大事了。更糟糕的是，有研究指出，到2050年，全世界的粮食需求还会倍增。对农民来说，在向土地榨取更多收成的同时，他们还必须减少农耕对于环境的破坏。这一切的一切，都说明我们应当重新思考农耕的方式，并且要将自动化提升到全新的水平。
在新型的模范农场里，精确将是关键。如果能将化学物质准确地喷洒到需要的作物上去，那何苦还要在整块土地上施药呢？在将来，每一株作物都能得到恰好的投入，不多也不少，这样非但能削减化学物品的使用，还能取得更好的收成。但是这说说容易，做起来就难了：欧洲和美国的那些大农场往往有数千公顷之巨，要对它们进行精确耕种，自动化就成了关键。具体来说，农业工程师指出，要精确耕作，就得由机器人充当农民。
或许用不了多久，农业机器人就能认出一株株秧苗，并且用酌量的化肥和水滴来催促它们生长。另一些机器则会识别出杂草，然后用一小滴除草剂、一把喷火枪、或者一束高能激光来将它们铲除。不仅如此，这些机器还能认出各种成熟的蔬菜，并且收割下来。
机器人还会给其他方面带来剧变，比如在农业工种上、在我们耕作的方式上、在土壤和土壤质量上，以及在农耕中投入的能量和碳含量上。它们能够降低污染，减少水的使用。不过对普通人来说，最显著的或许还是耕地外观的变化。有了机器人的参与，庄稼就可以在精心划分的小型农田里种植，果园里则会长满一列列二维形状的树木。不仅如此，机器农民甚至可能对端上餐桌的果蔬种类造成影响。
一个多世纪以来的机械化进程，已经将世界大多数地方的农业改造成了具有工业规模的活动，其中出产谷物的农场是机械化程度最高的。另外一些作物，比如用来制作加工食品的橘子和西红柿，也已经由机器来采摘了。在数以千计的奶牛场里，奶牛也已经改由机器人来挤奶。这类产品在进入你家附近的商场之前，没有一样是经过人手染指的。
智能化的农业机器已经在田野中忙碌起来，不过这些机器人看上去都像是拖拉机的样子。图片来源：《新科学家》
这还不够，下一代的自动化农业机器也已经在田野中忙碌开来。你可能已经见过它们，只是并未留意，因为这些机器人都扮成了拖拉机的样子。今天的这些“拖拉机”，有许多都是自动驾驶的，它们依靠GPS导航穿过田野，还能对自己的零件“说话”。而这些零件，比如一把犁、一只喷雾器等，也能向拖拉机“回话”。英国哈珀亚当斯大学学院研究农业技术的西蒙·布莱克摩尔（Simon Blackmore）举例说：“比如一部除草机就能告诉拖拉机‘你开得太快了’或者‘向左开’。”他还表示，这类系统正在成为标准配置。
不同的农业机车之间也在开始彼此对话。美国约翰迪尔公司（John Deere）2012年出售的一种复合收割机，就能和牵引式挂车联系，并且提醒司机装载谷物。德国的芬特公司（Fendt）也研制出了成对作业的拖拉机，其中的一台由人工操作，另一台自动驾驶，在边上模仿第一台的动作。这套系统可以有效地将农民在田野中的劳作时间减半——而这还仅仅是开始。
不过话说回来，等到充分自动化的系统开进农田时，它们就不会再是拖拉机的样子了。今天的农业机器个头和重量皆大，因此有一个重大的缺陷：它们会压紧土壤，减少孔隙，杀死有益的生物。这样一来，作物就无法茁壮生长。压紧的土壤还会增加雨水侵蚀。“我们为什么要犁地松土？主要就是为了修补大型拖拉机造成的破坏，”布莱克摩尔指出，“投入耕作的能量中，居然有8成是用来修补破坏的。这样的种地方法肯定要改。”
他相信，启用成队的轻型自动机器人有望解决这个问题。他还指出，用精确取代蛮力是其中的关键。“一粒种子只要一平方厘米的土地就能生长，我们只要在那块土地上投入一小股能量，作物就能长得很好了。”
有了这样的轻型机器人，犁地就再也没有必要了，由此可以大大降低能耗，也能降低农耕中排放的二氧化碳。当土地不再紧实，土壤就能保住原有的结构，留住有益的生物。它们还能吸收更多的水分，保持更久的肥力。
具有这些能力的自动机器人已经开始在田野试验中展现气概了。它们需要具备的关键能力有3种：能自动行驶，能分析眼前的场景，还要能帮助农民烧掉野草、喷洒农药或者收割庄稼。
其中导航系统还是最简单的部分，特别是在有了高精度的卫星导航技术RTK-GPS之后。这种技术能使机器将自己的位置确定在2厘米之内，由德国应用科学大学的阿诺·鲁克肖森（Arno Ruckelshausen）研发，目的是为一款叫做“BoniRob”的模块式农业机器人导航。BoniRob的外形像一辆四轮越野车，利用几台光谱成像仪来区分绿色的作物和褐色的土壤。它能记下每一株作物的位置，并在生长季中一次次返回原地观察它们的生长（参见《农业技术》，第67卷，第37页）。
BoniRob的外形像一辆四轮越野车，利用几台光谱成像仪来区分绿色的作物和褐色的土壤。图片来源：agrotec.cz
激光除草枪
除尽杂草是农民特别向往的一个目标，因为杂草会使有些作物的产量下降5成还多。因此，鲁克肖森下一步的计划就是，给他的机器人安装一套精确的喷洒系统，该系统仿照喷墨打印机，能够在杂草的叶片上喷洒微小的除草剂液滴。鲁克肖森估计，这项技术能够使农药的使用减少8成。根据布莱克摩尔的计算，即便是将机器人的前期投资计算在内，这个新方法也会比传统的除草手段便宜。不仅如此，新方法还明显有利于生物多样性的维持，因为它能将除草剂杀死的植物数目减到最低。喷洒杀虫剂不是机器人清除杂草的唯一手段：试验中的样机还能用火焰喷射器和激光枪烧死杂草，这一点对于有机农业可是大有用处的。
同样的方法，或许还能节省化肥。田野试验显示，机器人能用传感器测量每一株小麦的氮水平，然后酌量施肥，并由此将整块田地的化肥使用削减8成以上，做到物尽其用（参见《美国土壤科学协会杂志》，第73卷，1566页）。一方面是化肥减少使用，一方面是土壤变松、蓄水能力加强，结果就是河流和水道变得更加健康。除此之外，还有一个不言而喻的好处：化肥的工业生产造成的大量碳排放，在精确施肥之后也能有所缓解。
接下来的难题就是，如何区分杂草和作物。研究者正在研发相应的机器视觉系统，希望能借助叶片的不同形状来辨认比如杂草和甘蔗的不同。不过澳大利亚野外机器研究中心的萨拉·苏卡黎（Salah Sukkarieh）表示，由于缺乏资金，这方面的研究仍然进展缓慢。“如果在农业机器人方面的拨款能和采矿、国防项目相当，问题就可以解决。问题是，农业研究没有那么多钱。我们现在只能向别的行业借鉴，等他们的经验慢慢渗透过来。”但是他也表示，即便如此，机器人视觉也会在大约几年之后就绪。
和苏卡黎一样，布莱克摩尔也认为农业机器人的运营没有技术上的障碍。目前已经有人对配备了机器视觉的机器人做过试验，比如丹麦的HoriBot。结果证明，这些机器人的确能够在田野中辨别野草，并且酌量喷洒除草剂。另有一些试验显示，机器人灌溉系统能够将用水削减一半。“现在是技术具备，只欠投资了，”布莱克摩尔说道。
在日本，政府接手了农业自动化的工作。日本目前只有4成的粮食是自己耕种，因此比任何国家都更加依赖粮食进口，不过日本政府计划在未来10年内把这个比例提高到5成。随着人口老化和农民数目的减少，这个国家也把目光转向了机器人。
眼下，北海道大学的野口伸（Noboru Noguchi）正在主持一个研究项目，旨在将农业机器人推向市场。该项目为期5年，由日本农林水产省投资800万美元，目标是将农耕从播种到收获的各个环节全部自动化。研究将主要围绕日本的3种标志性作物：稻米、小麦和大豆。研究团队计划2014年就在农田里试验样机。“从现在起的5年之后，我们就打算把它们推到市场上销售，”野口说道。
机器人可能撞上步行的人或者走失的家畜，这是野口伸的一大担忧。于是他和德国的博世机械公司合作，准备给机器人配上激光和超声波传感装置，使它们能够警戒四周，一遇上撞击的迹象就紧急刹车。作为后备计划，机器人还会装上触感保险杠，即使真撞上了东西，也能立刻止步。
除日本外，还有两个地方同样受制于农村劳力短缺，农业机器人可能很快出现——那就是北美和西欧。像中国这样快速发展的国家同样面临这个问题。荷兰瓦赫宁根大学的机器人研究者艾德特·凡·亨登（Eldert van Henten）指出：“农业工作没有趣味和声望可言，收入一般也不高，工作内容却又累又脏，所以大家都希望进入城市，去工厂或办公室工作。虽然人口在增加，也都需要吃饭，愿意从事农业生产的人口却在急剧缩减之中。”
美国农业部的琳达·加尔文（Linda Calvin）和加利福尼亚大学戴维斯分校的菲利普·马丁（Philip Martin）研究了机械化的趋势，以预测美国的农场在劳动力缩减的未来将何去何从。现在的美国农场中有大量移民劳工，主要来自墨西哥。然而移民潮正在减缓，许多在美国工作的外国人都准备返回祖国了。美国劳工部开展的“全国农业工人调查”在过去25年内询问了5万多名农业工人，在近几年的调查中，超过半数的受访者都是非法移民。这个群体因为法律身份、教育水平和语言技能而无法从事其他许多职业，但是即便如此，他们当中的大多数也会在10年之内离开农场，转而从事其他对体力要求较小的职业。
加尔文和马丁还指出，雇佣成本的上涨一直在推动农场采用节约人工的技术，他们举的例子是葡萄干生产业：2000年的大丰收使得葡萄价格一泻千里，随着利润大幅压缩，农场主找起了省钱的法子。本来人工是他们的一大开支——美国的农场平均有42％的生产成本是花在人力上的。农场主改造了葡萄酒生产商的收割机，将它运用到了自己的农场当中。到2007年，加利福尼亚州已经有将近一半的葡萄干是机器收割的了。曾经有5万之众的工人队伍，现在也缩减到了3万人。
农业机器人或许对仰仗土地维生的劳工来说不是什么好消息，对农场主又如何呢？虽然有研究指出，机器人挤奶对于牧场的整体收益冲击不大，但是机器毕竟为奶农省去了每天挤奶的苦工。布莱克摩尔的计算则显示，农业机器人可以带来可观的经济利益，比如在谷物地和甜菜地里，机器人就能将每公顷的除草成本减少约两成。对经营有机农场的人来说，机器人的收益就更大了，因为劳动力在他们的总成本中所占的比重达到5成以上。对丹麦有机农业的一项研究指出，即便在计算了机器的购买和维修费用之后，农业机器人依然能将去除杂草的成本减去一半之多。
未来的农业机器人，将不再是拖拉机那样又笨又重的外形，而应该是成队作业的轻型自动机器人。图片来源：
机器人农场
约翰·斯特莱德（John Stride）任职于支持有机农业的英国土壤协会，了解到机器人技术能够减少农药的使用，他感到相当兴奋。不过他也提醒说，其中的风险同样值得研究。他说：“要不要引进任何新的技术，就要看我们能不能把它的好处给说清楚。”
比如，农业机器人到底能不能降低食品价格？布莱克摩尔认为，只能说也许。决定食品价格的因素多种多样，从气候到超级市场的价格战，都有可能使价格或升或降。长远来看，自动化是否就能使果蔬变得便宜，这一点是很难断定的。但是降低了在农耕中投入的能量，我们至少就有机会把农产品的价格降下来。
除此之外，农业机器人的广泛应用还可能在超市中造成其他变化。在英国赫尔大学研究农业的路易斯·哈罗维（Lewis Holloway）指出，用机器人挤奶可能会影响奶牛的基因组成，因为奶农会挑选那些“对机器人友善”的奶牛，也就是乳房形状、甚至性情都投合自动化的奶牛，并且用它们来繁殖后代。他还指出，根据同样的道理，农业机器人或许还会影响进入商场的水果和蔬菜的种类，因为农民或许同样偏爱那些适宜自动化的作物，比如叶片形状不容易被机器人认作野草的，就有可能受到青睐。
还有一件事很难避免：这些机器最终将改变田园的景观。苏卡黎认为，等到人们在设计农场时就将农业机器人考虑在内的时候，机器人农业的春天就真正到来了。到了那时，田地将重新分割成小块，作物将种植成一格一格，而非一列一列，果树也会修葺成二维的形状，以方便采摘。虽然由机器人培养的这种奇怪的几何形农田还不会马上出现，但是正如苏卡黎所说，“它总有一天会出现的。”
凡·亨登也同意这个说法，他回忆道：“我们在上世纪90年代中期开始试验机器人技术时，农民的态度是嘲笑和怀疑的。可是当我们展示了一台黄瓜收割机之后，他们就立刻来问我们明天能不能购买了。”
编译自：《新科学家》，Farmerbots: a new industrial revolution
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DIYER，摄影师，电容技术顾问
说成本能降低的，完全是因为发达国家人工太贵了的缘故······
那些怕机器人和人类掐起来的，我看你们是没给机器人写过控制程序。。。如果有了这种实践经历，你就会明白，机器人产生意识并反抗人类在可预见的未来是不可能的 = =
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全部评论(72)
DIYER，摄影师，电容技术顾问
说成本能降低的，完全是因为发达国家人工太贵了的缘故······
石油不要钱么。。
引用文章内容：农业机器人或许对仰仗土地维生的劳工来说不是什么好消息....对中国8亿农民来说...
引用 的话：对中国8亿农民来说...圈地运动，走起
农业的未来只需要继续保持教育的不均衡就够了
额，用机器种出来的农作物又要用到人身上，不如直接把人类改进成像充电一样获取能量好啦。来自
引用 的话：石油不要钱么。。用电嘛~这个技术说不定能用到以后的外星定居中~
心理学硕士
农民本来就是机器人啊 by Terran
赶紧去研究生物燃料电池，机器人走不动了直接拔草来吃，减少污染，节省能源，喷火、激光都弱爆了
农业全盘机器人化？太早了吧！还是先把工业全部机器人化，现实点。别的不说，把手机，笔记本电脑等消费电子，全部用机器人组装。
生物工程专业
对于零敲碎打的中国部分地区农业而言，没有意义，适合广阔平原机械化耕种的农场。
这种出的粮食比牛肉贵多了。你以为不耗电、不烧油？设备维护不要钱？
如果这样，就想回去当个农场主了
地质学博士生
工业机器人化，然后农业也机器人化最后这些机器人都智能化，武装了自己然后开始跟人互掐……
农场农业成型之前，估计植物无土栽培技术老早实用了不一定，兼通各种基因工程，实验室培育怕是来的更经济一点吧
引用 的话：对中国8亿农民来说...中国现在没有8亿传统意义上的农民了吧（都进城打工成为中国特色的农民工了）
一旦能源出现紧缺，这些农业机器人的成本就会直线上升。。。
我想起了机器人瓦力！~
最后一个略萌未来真的需要“农业”吗
引用 的话：我想起了机器人瓦力！~图不错，找到原版了
期望在没有人的田野里，坐享其成
文中农用机器人太酷炫！
最后那机器人好萌的说
引用文章内容：喷洒杀虫剂不是机器人清除杂草的唯一手段笔误了
中国的农民哪里有钱买的起！南方的田都是非常不规则！！怎么自动化来自
解放农村的最好办法！把农民从土地的束缚中解放出来，让大家都能够选择更多。
失业大军……不过也没啥所谓……
引用 的话：说成本能降低的，完全是因为发达国家人工太贵了的缘故······对的，剪个头发60$啊。
多个小型机器人PK一个巨型机器呢？想起了《心理测量者》中提到的当时社会的农业是集中大规模自动化生产，从播种到收获，统一由一台机器所控制。但是风险极大，一旦机器遭到入侵，对人类就是毁灭性的打击。所以槙岛圣护才会打算入侵粮食基地。
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