Jak AI odmienia rolnictwo – będzie szybciej, taniej, zdrowiej?

Sztuczna inteligencja może analizować, co znajduje się na polach i co powinno się na nich znaleźć. Może szukać szkodników, sterować pojazdami rolniczymi czy pokazywać, jak będą się rozwijały uprawy. Dzięki dokładnemu monitoringowi i szczegółowej analizie będzie można oszczędzić energię, wodę i inne zasoby. Zyskać mają rolnicy, konsumenci i środowisko. Eksperci przestrzegają też jednak przed zagrożeniami. AI odmienia rolnictwo, ale – nowe technologie powinny być pod czujną kontrolą.

Dzięki traktorom, kombajnom i innym urządzeniom zniknął widok rolnika z pługiem i koniem. Teraz czas na kolejną rewolucję. Nadchodzi era rolniczych robotów i komputerów. Mają być przy tym coraz inteligentniejsze i przejmować kolejne obowiązki. AI pomoże w zaplanowaniu upraw, ich ochronie, nawożeniu i w zbieraniu plonów. Potrzebna jest jednak odpowiedzialność przy wprowadzaniu tej rewolucyjnej technologii.

Inteligentne algorytmy szukają szkodników

Sztuczna inteligencja w walce ze szkodnikami? Dlaczego nie? Z jej pomocą naukowcy z Uniwersytetu w Modenie chcą walczyć z niszczącą uprawy owoców tarczówką marmurkowatą (Halyomorpha halsy). Jak podają, np. w 2019 roku owad spowodował we Włoszech straty w uprawach owoców na kwotę prawie 600 mln euro.

Twórcy nowej metody twierdzą, iż tradycyjne sposoby, takie jak pułapki z feromonami czy odławianie siatką entomologiczną, są pracochłonne. Są też często nieskuteczne na bardzo dużych obszarach. Nowa metoda wykorzystuje natomiast sztuczną inteligencję zaimplementowaną w latających dronach.

„Naszym celem było znalezienie niezawodnego sposobu monitorowania tych inwazyjnych owadów bez negatywnych skutków typowych dla czasochłonnych i energochłonnych metod stosowanych obecnie” – zwraca uwagę kierująca projektem Lara Maistrello.

Autonomicznie maszyny latają wśród owocowych drzew (na razie grusz) i wykonują wysokiej rozdzielczości zdjęcia analizowane na bieżąco przez AI. Skuteczność wykrywania w ten sposób owadów sięga aż 97%.

„Nasz nowatorski system monitorowania drzew pokazał potencjał integracji dronów i sztucznej inteligencji do wykrywania i oceny obecności szkodników o rozmiarach i kształcie H. halsy” – mówi współautor systemu dr Daniele Giannetti.

Metoda jest jednak uniwersalna. „Aplikację analizującą obrazy można łatwo dostosować do różnych upraw. Oczywiście, jeżeli ktoś chce zająć się innymi owadami, będzie musiał wytrenować nowe modele sztucznej inteligencji, ale nasze doświadczenie jest naprawdę zachęcające. Uważamy nasze wyniki za ciekawe, szczególnie ze względu na liczne przyszłe zastosowania” – podkreśla prof. Maistrello.

AI precyzyjnie wskaże, kiedy czas na zbiory

Poza kontrolowaniem warunków wzrostu uprawianych roślin ogromne znacznie dla dobrych plonów ma odpowiedni czas zbiorów. Jedno ze związanych z tym wyzwań polega na tym, iż rośliny dojrzewają nierównomiernie, co utrudnia wybranie optymalnego momentu.

„Jeśli rolnicy będą znali idealny moment na zbiór plonów, będą mogli zmniejszyć straty, co jest korzystne dla nich, dla konsumentów i dla środowiska. Jednak optymalny czas nie jest łatwy do przewidzenia i wymaga szczegółowej wiedzy o każdej roślinie. Zgromadzenie takich danych przez ludzi byłoby zbyt kosztowne i czasochłonne. W tym miejscu wkraczają drony” – mówi prof. Wei Guo z Uniwersytetu w Tokio.

Chodzi oczywiście o drony inteligentne. Maszyny analizują bowiem poszczególne rośliny i oceniają stan ich dojrzałości. „Pomysł jest stosunkowo prosty, ale zaprojektowanie takiego systemu, jego wdrożenie i realizacja są niezwykle skomplikowane” – podkreśla naukowiec.

On i jego grupa wykazali, iż z użyciem odpowiedniego systemu można wykorzystać niedrogie drony. Z pomocą AI mogą one fotografować i analizować młode rośliny — w tym przypadku brokuły — i dokładnie przewidywać ich wzrost. Drony wielokrotnie przeprowadzają proces obrazowania i robią to autonomicznie. To oznacza, iż system wymaga tylko niewielkich nakładów pracy. A zysk może być naprawdę duży.

„Może to niektórych zaskoczyć, ale zbiór zaledwie dzień przed lub po optymalnym czasie może zmniejszyć potencjalny dochód rolnika od 3,7% do choćby 20,4%” – wyjaśnia prof. Guo. „W naszym systemie drony identyfikują i katalogują każdą roślinę rosnącą na polu, a ich dane obrazowe zasilają model wykorzystujący głębokie uczenie maszynowe. Tworzone są w nim łatwe do zrozumienia dane wizualne przeznaczone dla rolników.

Biorąc pod uwagę obecne, stosunkowo niskie koszty dronów i komputerów, komercyjna wersja tego systemu powinna być w zasięgu wielu z nich” – dodaje badacz. Inteligentne drony będą najpewniej towarzyszyły innym autonomicznym, więc także wykorzystującym AI pojazdom, które są intensywnie rozwijane. Mowa o samojezdnych traktorach, kombajnach i innych maszynach, którymi dzisiaj sterują ludzie.

Komputer przewidzi przyszłość

Zastosowań AI może być jednak więcej. Niedawno specjaliści z Uniwersytetu w Bonn przedstawili np. oparte na sztucznej inteligencji oprogramowanie, które umożliwia prowadzenie symulacji wzrostu uprawnych roślin. „Zrobiliśmy tysiące zdjęć w jednym momencie tego wzrostu. W ten sposób udokumentowaliśmy rozwój upraw kalafiora w określonych warunkach” – opowiada jeden z autorów projektu Lukas Drees.

Z pomocą tych zdjęć naukowcy wytrenowali uczący się algorytm. Później, na podstawie pojedynczego zdjęcia lotniczego z wczesnego etapu wzrostu, algorytmy były w stanie wygenerować obrazy pokazujące przyszły stan uprawy. Na razie cały proces jest bardzo dokładny, o ile warunki uprawy są podobne do tych, które panowały podczas wykonywania zdjęć treningowych. Oprogramowanie nie uwzględnia jeszcze wpływu różnorodnych czynników, w tym wpływu nagłego ochłodzenia lub dłuższego deszczu.

Jednak badacze twierdzą, iż system będzie w stanie nauczyć się więcej i uwzględniać różne czynniki, również stosowanie nawozów. Celem jest, jak podkreślają naukowcy, inteligentna digitalizacja rolnictwa mająca na celu ochronę środowiska naturalnego bez uszczerbku dla plonów.

AI szczególnie przydatna w polikulturach

Badacze testują także swój system w polikulturach, w których uprawia się jednocześnie różne, wspierające siebie nawzajem gatunki, np. pszenicę i fasolę. Ze względu na zróżnicowane wymagania w tego rodzaju uprawie obserwuje się mniejszą konkurencję między roślinami niż w przypadku monokultury, gdzie uprawiany jest wyłącznie jeden gatunek. To przekłada się na możliwości wzrostu plonów.

Dodatkowo niektóre gatunki roślin, takie jak fasola, potrafią wiązać azot z atmosfery i wykorzystywać go jako naturalny nawóz. To z kolei przynosi korzyści również innym gatunkom, np. właśnie pszenicy.

Polikultury są także bardziej odporne na szkodniki i różne negatywne czynniki. Wiele jednak zależy od wyboru uprawianych razem roślin oraz od tego, w jakich proporcjach są mieszane. Tutaj może pomóc właśnie sztuczna inteligencja.

Otóż, jak wyjaśniają naukowcy z Bonn, analiza licznych eksperymentów mieszania roślin, w algorytmach uczenia maszynowego, umożliwia uzyskiwanie automatycznych zaleceń odnośnie do szczególnie zgodnych ze sobą gatunków roślin oraz optymalnych proporcji ich łączenia w uprawach.

Można oszczędzić prąd i wodę

Zespół z Massachusetts Institute of Technology wykorzystuje AI w inteligentnych zasilanych słońcem systemach do nawadniania kropelkowego. Jak twierdzą badacze, takie systemy mogą zmniejszyć zużycie wody o – bagatela – 20 do 60%.

Jednym z głównych elementów jest kontroler, który steruje przepływem wody i nawozów w sieci przewodów doprowadzających je do różnych części pola. Działająca w nim sztuczna inteligencja analizuje różnorodne czynniki najważniejsze dla planowania nawodnienia. Są to wilgotność, temperatura, prędkość wiatru, opady i oczywiście rozmieszczenie upraw. Chodzi o optymalizację zużycia wody i energii. W testach prowadzonych w Maroku kontroler zmniejszał wykorzystanie wody o 44%, a energii – o 38%.

„Rolnictwo zużywa 70% słodkiej wody wykorzystywanej na całym świecie. Szerokie zastosowanie i prawidłowe zarządzanie nawadnianiem kropelkowym mogą pomóc w zmniejszeniu zużycia słodkiej wody. Jest to szczególnie ważne dla regionów doświadczających niedoboru wody lub wyczerpania wód podziemnych” – mówi Carolyn Sheline, jedna z autorek wynalazku.

Istnieją też zagrożenia. Jakie?

Choć może się wydawać, iż AI przyniesie rolnictwu same korzyści, to niektórzy eksperci zwracają uwagę na potencjalne niebezpieczeństwa. Do tej grupy należą specjaliści z University of Cambridge, którzy opisali swoje obawy na łamach magazynu „Nature Machine Intelligence”.

Wśród zagrożeń wymieniają ataki hakerów. Takie ataki mogłyby zagrozić opartym na cybernetycznych technologiach uprawom. Przestępcy mogą np. zafałszować najważniejsze dla całego procesu dane czy też unieruchomić drony i inne urządzenia.

Inne zagrożenia to np. działanie AI w scenariuszach związanych z jakimś nieprzewidzianym zdarzeniem. System AI zaprogramowany wyłącznie na dostarczenie najlepszego plonu w krótkim okresie mógłby zignorować konsekwencje środowiskowe osiągnięcia swojego celu. Mógłby doprowadzić do nadmiernego zastosowania nawozów czy pestycydów i w związku z tym, doprowadzić do erozji gleby czy zatrucia środowiska w dłuższym okresie.

Jakie społeczne konsekwencje zastosowania automatycznych maszyn?

Konieczne będzie także poradzenie sobie m.in. ze społecznymi konsekwencjami wprowadzania autonomicznych maszyn. Jakie mogą być skutki działania eksperckich systemów rolniczych opartych na AI? Zwłaszcza takich, które nie będą uwzględniać społecznej złożoności warunków pracy? Mogą ignorować zagrożenia społeczne i utrzymywać wykorzystywanie społeczności znajdujących się w niekorzystnej sytuacji – podkreślają naukowcy.

Zwracają przy tym uwagę, iż rolnicy działający na małych obszarach mogą być wykluczeni z technologicznych zmian dziejących się dzięki AI, a to jeszcze bardziej pogłębi ich marginalizację.

Naukowcy wskazują jednocześnie ogromne potencjalne korzyści płynące z wprowadzania AI do rolnictwa. „Sztuczna inteligencja jest uznawana za sposób na zrewolucjonizowanie rolnictwa. Wdrażając tę technologię na dużą skalę, powinniśmy jednak dokładnie rozważyć potencjalne zagrożenia. I dążyć do ich złagodzenia na wczesnym etapie projektowania tej technologii” – stwierdza dr Seán Ó hÉigeartaigh, współautor analizy.

Wydaje się, iż teraz jest odpowiedni moment, aby się tym zająć, bo sztuczna inteligencja z pewnością wkroczy na pola czy do sadów. Jak w przypadku każdej technologii, która się opłaca, to tylko kwestia czasu, zanim zagości ona w tych miejscach na stałe.

Czytaj też: Roboty będą nam stawiać domy (i w nich mieszkać z nami)

Źródło zdjęcia: no one cares/Unsplash