Xu hướng của cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 đã đặt
ra thách thức to lớn, đòi hỏi những giải pháp tiên tiến về công nghệ để giúp
nâng cao hiệu quả trong sản xuất nông nghiệp. Cụ thể, đó là việc sử dụng các
công nghệ tiên tiến, trong đó có Robot phục vụ nông nghiệp và ứng dụng trí
thông minh nhân tạo.
Robot nông
nghiệp và tính khả thi về kinh tế
Trong nhiều năm kể từ khi ra đời vào năm
1961, robot được sử dụng chủ yếu trong các ứng dụng công nghiệp, cụ thể là các
nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, các hệ thống sản xuất, nơi môi trường làm
việc được xác lập chính xác cho các hoạt
động được lập trình chính xác của Robot trong những điều kiện làm việc hầu như
không thay đổi. Trong rất nhiều năm, nông lâm nghiệp là lĩnh vực mà Robot vẫn
chưa thực sự đặt được bước chân. Đầu những năm 1960, các dự án trên các hệ
thống tự động và máy kéo tự động đã khởi đầu, tạo triển vọng ứng dụng các thiết
bị không người lái phục vụ cho nông lâm nghiệp. Dựa trên phương thức tiếp cận
hành vi, các phương tiện vận chuyển trên cánh đồng được tích hợp với hệ thống
cảm biến, công nghệ truyền thông, hệ thống định vị toàn cầu GPS và hệ thống
thông tin địa lý GIS đã tạo ra một hệ thống máy tự trị, thích nghi, có khả năng thực hiện canh tác và thu hoạch cho
các loại cây trồng có giá trị cao cũng như có khả năng quản lý toàn bộ khu vực
canh tác. Ý tưởng tạo ra các hệ thống tự động có thích thước nhỏ và hoạt động
hiệu quả hơn các máy đầu kéo nông nghiệp cồng kềnh được hình thành và phát
triển, đó chính là các Robot nông nghiệp.
Một số Robot làm nhiệm vụ thu hoạch cây ăn trái tự động được thiết kế
điển hình như Robot hái cam (Hannan và
Burks, 2004), Robot hái dâu tây (Kondo et al., 2005) và Robot thu hoạch cà chua
(Chi & Linh, 2004) được phát triển trong các phòng thí nghí nghiệm. Hệ
thống tự động cho tưới tiêu dựa trên điều kiện khí hậu cho cây trồng có giá trị cao được phát triển
( Miranda et al, 2005). Hệ thống Demeter được trang bị camera và GPS để điều
hướng để thu hoạch trên các cánh đồng (Pilarski et al., 2002). Các Robot kiểm
soát và diệt trừ cỏ dại được thiết kế (Have et al., 2005).
Ưu điểm của những Robot này sẽ có thể thực
hiện công việc được giao trong các điều kiện làm việc trong suốt thời gian của
năm, không cần giám sát và thích nghi với điều kiện môi trường. Các thiết bị
Robot nhỏ bé sẽ ít tác động lên môi
trường, giảm được việc sử dụng quá mức hóa chất và phân bón, sử dụng năng
lượng phù hợp với yêu cầu, kiểm soát tốt
hơn và không gây ra sự nén chặt đất do trọng lượng nhẹ hơn. Một số nghiên cứu
về hiệu quả kinh tế của các Robot nông nghiệp trong việc đảm bảo sản xuất bền vững đã được công bố. Goense (2003) đã thử nghiệm việc so sánh giữa một hệ máy nông
nghiệp thông thường với một hệ tự động làm việc trên thửa ruộng có chiều rộng
làm từ 50 đến 120 cm đã chỉ ra rằng máy tự động
có thể làm việc 23 giờ một ngày, xét về mặt kinh tế lại khả thi hơn do
mức giảm nhẹ về giá của các hệ thống định vị, chi phí cho lao động trực tiếp giảm. Have (2004) đã phân tích ảnh hưởng của tự động
hóa đến kích thước và giá thành máy móc cho làm đất và trồng cây. Nghiên cứu
của Have đã cho thấy các tỷ lệ giữa một máy
kéo tự động và máy kéo có người lái về giá cả, yêu cầu lao động và giờ làm việc
hàng ngày sẽ là 1.2, 0.2 và 2 lần tương ứng. Các phân tích trên chi phí trực tiếp máy móc cho thấy việc chuyển sang máy điều khiển tự
động sẽ giảm kích thước máy kéo xuống một nửa; giảm chi phí đầu tư máy kéo
xuống khoảng 60% và giảm tổng chi phísửa chữa và bảo dưỡng máy kéo hàng năm đến khoảng 65%. Pedersen (2006 &
2007) khi so sánh giữa 3 các ứng dụng
khác nhau của hệ thống robot với các hệ thống thông thường trong sản xuất cây
trồng và quản lý cánh đồng cũng đưa ra những kết luận khả quan về tính kinh tế
của những Robot nông nghiệp.
Các
thách thức và cơ hội
Một mối quan tâm khác là thiếu lao động
trẻ và lành nghề trong nông nghiệp. Khi mùa thu hoạch đến, không dễ dàng để huy
động một lực lượng đủ cho công việc đồng áng kéo dài trong điều kiện ngoài trời
khắc nghiệt và tiềm ẩn nhiều tai nạn. Tại nhiều vùng nông thôn, lực lượng lao
động làm việc ngoài cánh đồng đã giảm đến mức báo động. Robot nông nghiệp có thể trợ giúp đắc lực cho việc tự động
hóa các công đoạn có tính lặp lại, được hoạch định trước và đòi hỏi tác nghiệp của các máy công nghiệp nặng
nề và chuyển động chậm. Đồng thời các Robot nông nghiệp chắc chắn sẽ mở ra những cơ hội mới cho các
các công việc phụ trợ như chế tao, bảo trì các Robot, các máy bay không người
lái, phát triển phần mềm điều khiển và giám sát…Việc sử dụng các Robot nông
nghiệp sẽ tạo ra những cơ hội to lớn: các chủng loại nông sản tốt hơn và đa dạng
hơn, độ sẵn sàng lớn hơn, giá cả sẽ rẻ hơn. Thế giới của nông nghiệp với sự
phát triển của các Robot nông nghiệp sẽ còn tiếp tục lớn mạnh. Robot nông nghiệp
đã góp phần tối ưu hóa năng suất lao động trong khi giảm tối thiểu các chi phí
về năng lượng, nước và thời gian. Và đó là điều mà mọi công nghệ tương lai đang
hướng tới.
Mặc dầu những ảnh hưởng to lớn đã được chỉ ra, nhưng chi phí của việc đầu
tư cho robot công nghiệp tương đối cao
cũng như sự nhận thức chưa đầy đủ cũng sẽ hạn chế nông dân sử dụng trên
cánh đồng của họ.
Các ứng dụng của
Robot nông nghiệp
Phương
thức canh tác cũ phụ thuộc chủ yếu vào sức lao động của con người và máy móc
thông dụng sẽ dần dần bị phá vỡ nhờ sự áp dụng của Trí thông minh nhân tạo cùng
với sự phát triển không ngừng của công nghệ Robot. Các Robot nông nghiệp sẽ đảm nhiệm các
tác nghiệp
chậm, lặp lại và đơn giản cho người
nông dân, cho phép họ tập trung hơn vào việc cải thiện
năng suất sản xuất tổng thể. Có nhiều loại robot khác nhau được sử dụng trong nông nghiệp và
các giải pháp mới đang được phát triển không ngừng.
Cho đến nay, tám
loại robot nông nghiệp sau
đây đã trở nên phổ biến trong các ứng dụng
sau:
-
Nông nghiệp chính xác: những robot lĩnh vực này được sử
dụng trong các trang trại nhỏ hoặc vườn cây ăn quả.
Thông thường, chúng được sử dụng để theo dõi tự động dinh dưỡng của đất, hoạt
động quang hợp, chỉ số diện tích lá và
các yếu tố sinh học khác.
-
Giám sát ô nhiễm: một số robot được
trang bị để theo dõi ô nhiễm do nông nghiệp tạo ra ở mặt đất. Những robot này
đo lượng khí thải carbon dioxide và nitơ oxit để nông dân có thể giảm thời gian
làm việc trên đồng.
-
Chăn nuôi gia súc: các robot này được sử dụng để chăn gia súc trên các trang
trại lớn, đảm bảo có đủ diện tích để chăn thả, đảm bảo gia súc thể khỏe mạnh.
-
Kiểm soát cỏ dại: các robot này được sử dụng để phát hiện và tiếp cận cỏ dại
trong trang trại, phun các loại thuốc
diệt cỏ với lượng thích hợp để loại bỏ cỏ dại. Cách tiếp cận này làm giảm thiểu
tiếp xúc của người nông dân với thuốc diệt cỏ và giúp ngăn chặn sự phát triển
của cỏ dại kháng thuốc diệt cỏ.
-
Tự động hóa vườn ươm: robot có thể được
sử dụng trong các vườn ươm cây trồng, chủ yếu để di chuyển trong các nhà kính
lớn. Những robot này tạo ra hiệu quả lớn cho các vườn ươm cây trồng và giúp
giải quyết tình trạng thiếu lao động ngày càng tăng.
-
Thu hoạch cây trồng: để thu hoạch cây trồng, robot chuyên dụng có thể làm việc suốt ngày đêm để
thu hoạch nhanh hơn, trong một số trường hợp hoàn thành cùng một lượng công
việc tương đương với 30 công nhân.
-
Trồng và gieo hạt: một ứng dụng mới nổi, robot hiện trường với hệ thống tầm
nhìn 3D giờ đây có thể trồng chính xác và gieo hạt để tăng trưởng tối ưu, chủ
yếu cho trồng rau diếp và vườn nho.
- Nhận dạng và thu hoạch trái cây: đây là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của Robot
nông nghiệp do tính chính xác và tốc độ cao mà robot có thể
đạt được để tăng sản lượng trái
cây đủ tiêu chuẩn để thu hoạch.
Robot
nông nghiệp rất đa dạng về hình thức và chức năng. Khi người nông dân đối mặt
với một số thách thức ngày càng tăng, robot nông nghiệp đang giúp họ nâng cao
hiệu quả và mang lại năng suất cây trồng lớn hơn. Một số mẫu hình Robot nông nghiệp điển hình được giới thiệu
sau đây.
Hình 1. Robot Ecorobotix làm nhiệm vụ phun tưới
Hình 1 mô tả một máy bay không người lái có tên Ecorobotix chạy bằng năng
lượng mặt trời, được làm bằng vật liệu nhẹ, được gắn hệ thống định vị GPS, hoạt
động hoàn toàn tự động. Hệ thống Camera được trang bị giúp cho Ecorobotix thực
hiện nhiệm vụ phun thuốc sâu và tưới nước. Nhờ độ
chính
xác cao, robot này sử dụng 90% ít thuốc diệt cỏ, do vậy tiết kiệm chi phí 30% so với phương pháp phun thuốc truyền thống. Một đội hình gồm nhiều Ecorobotix có thể dễ dàng thay thế lao động
nông trại của nhiều nông dân, giúp họ tránh được công việc mang tính độc hại
cao.
Hình 2. Hệ thống Naio Technologies với nhiệm
vụ làm cỏ trên các cánh đồng lớn. Source: Naio
Technologies
Hệ thống Naio Technologies trên Hình 2 có một tập hợp
các robot, không chỉ hoạt động như những người nông dân thành thục nhất mà còn
áp dụng các kỹ thuật bảo tồn và bảo vệ môi trường. Các Robot này có khả năng
phát hiện cỏ dại, nhổ cỏ và hỗ trợ công việc thu hoạch.
Bùi Lê Cường Quốc