علف‌های هرز یک مشکل ماندگار در کشاورزی هستند زیرا با محصولات برای نور خورشید، آب و مواد مغذی رقابت می‌کنند. چالش امروز تنها «کشتن علف‌های هرز» نیست (تراکتورها و علف‌کش‌ها این کار را انجام می‌دهند) بلکه انجام این کار به صورت انتخابی است – حذف علف‌های هرز بدون آسیب رساندن به محصولات.

هوش مصنوعی و رباتیک پیشرفته اکنون ابزارهای قدرتمندی برای این منظور ارائه می‌دهند. با استفاده از بینایی کامپیوتری و یادگیری ماشین، ماشین‌های مدرن کشاورزی می‌توانند «ببینند» که هر گیاه چیست، محصول را از علف هرز تشخیص دهند و سپس به‌طور خودکار علف‌های هرز را حذف یا نابود کنند.

این سیستم‌ها وعده صرفه‌جویی در نیروی کار، کاهش مصرف مواد شیمیایی و افزایش بهره‌وری و پایداری کشاورزی را می‌دهند.

چگونه هوش مصنوعی علف‌های هرز را شناسایی می‌کند

کنترل علف‌های هرز مبتنی بر هوش مصنوعی بر اساس بینایی کامپیوتری و یادگیری عمیق است. دوربین‌های نصب‌شده روی تراکتورها، اسپری‌ها یا ربات‌های کوچک تصاویر گیاهان را ثبت می‌کنند و مدل‌های هوش مصنوعی (معمولاً شبکه‌های عصبی کانولوشنی یا CNN) برای تمایز بین محصولات و علف‌های هرز آموزش داده می‌شوند.

برای مثال، شرکت Carbon Robotics میلیون‌ها تصویر برچسب‌خورده از علف‌های هرز و محصولات را برای آموزش یک شبکه عصبی کانولوشنی شناسایی علف هرز بارگذاری می‌کند که به‌طور کامل روی دستگاه LaserWeeder اجرا می‌شود (بدون نیاز به اینترنت). شرکت John Deere نیز از بینایی تعبیه‌شده و شبکه‌های عصبی کانولوشنی در تراکتورهای خودران و اسپری‌کننده‌های See & Spray برای شناسایی علف‌های هرز در زمان واقعی استفاده می‌کند. در محیط‌های تحقیقاتی، مدل‌های هوش مصنوعی سفارشی مانند انواع YOLO و ترنسفورمرهای بینایی دقتی بیش از ۹۰٪ در شناسایی گونه‌های علف هرز در مزارع داشته‌اند.

نتیجه این است که سیستم‌های بینایی مدرن می‌توانند علف‌های هرز را با دقت در سطح پیکسل شناسایی کنند. آن‌ها در حین حرکت ماشین به‌صورت زنده کار می‌کنند.

برای مثال، بازوهای See & Spray شرکت John Deere دارای چندین دوربین و پردازنده داخلی هستند که هزاران فوت مربع را در هر ثانیه اسکن می‌کنند. هر فریم کوچک دوربین توسط یادگیری ماشین تحلیل می‌شود تا تصمیم بگیرد «محصول است یا علف هرز؟» و اگر علف هرز باشد، سیستم فوراً نازل اسپری آن نقطه را فعال می‌کند.

در واقع، هوش مصنوعی یک تراکتور را به رباتی بسیار هوشمند تبدیل می‌کند که حتی قادر به شناسایی علف‌های هرز کوچک با ۲ تا ۳ برگ در مزرعه است.

روش‌های حذف علف هرز مبتنی بر هوش مصنوعی

پس از شناسایی علف‌های هرز، سیستم‌های مختلف آن‌ها را به روش‌های متفاوتی حذف می‌کنند. سه رویکرد اصلی عبارتند از اسپری هدفمند، حذف مکانیکی، و حذف با لیزر یا حرارت. همه این روش‌ها از بینایی هوش مصنوعی برای تمرکز درمان تنها بر روی علف‌های هرز استفاده می‌کنند.

• اسپری دقیق (اسپری‌کننده‌های نقطه‌ای): این سیستم‌ها دوربین‌هایی را روی بازوی اسپری یا سکوی متحرک نصب می‌کنند و تنها به علف‌های هرز شناسایی‌شده علف‌کش می‌زنند. برای مثال، سیستم See & Spray شرکت John Deere از دوربین‌های نصب‌شده روی بازو و هوش مصنوعی استفاده می‌کند تا مصرف علف‌کش را به‌طور متوسط حدود ۵۹٪ کاهش دهد.
  
  این اسپری‌کننده مزرعه را با سرعت تا ۱۵ مایل در ساعت اسکن می‌کند و هرگاه شبکه عصبی داخلی علف هرزی را تشخیص دهد، نازل مربوط به آن گیاه را فعال می‌کند. در مقابل، اسپری‌های معمولی کل مزرعه را پوشش می‌دهند.
  
  تحقیقات نشان می‌دهد ربات‌های اسپری‌کننده نقطه‌ای می‌توانند حجم علف‌کش را تا ۲۰ برابر کاهش داده و مصرف مواد شیمیایی را تا ۹۵٪ کم کنند. شرکت Ecorobotix (یک شرکت فناوری کشاورزی سوئیسی) نیز اسپری‌کننده‌ای فوق‌العاده دقیق دارد که با نرم‌افزار هوش مصنوعی علف‌های هرز را از محصولات تشخیص داده و تنها گیاهان ناخواسته را اسپری می‌کند.
  
  در عمل، این اسپری‌کننده‌های هوش مصنوعی میلیون‌ها گالن مواد شیمیایی را صرفه‌جویی کرده‌اند – شرکت John Deere گزارش داده که سیستم See & Spray در سال ۲۰۲۴ حدود ۸ میلیون گالن علف‌کش را در بیش از یک میلیون هکتار صرفه‌جویی کرده است.

• حذف مکانیکی: برخی ربات‌های خودران به جای اسپری از ابزارهای فیزیکی استفاده می‌کنند. برای مثال، ربات Element شرکت Aigen (با حمایت شرکت‌های بزرگ فناوری) دوربین‌ها و هوش مصنوعی را با یک «بیل» مکانیکی ترکیب می‌کند که علف‌های هرز را از ریشه قطع می‌کند.
  
  وقتی ربات بین ردیف‌های محصول حرکت می‌کند، الگوریتم‌های آن تیغه‌ای تیز را هدایت می‌کنند تا علف‌های هرز شناسایی‌شده را خرد کنند. چون این روش تماس مستقیم دارد، به محصولات آسیبی نمی‌رساند. Element با انرژی خورشیدی و بادی کار می‌کند و برای حذف مداوم علف‌های هرز بدون استفاده از مواد شیمیایی طراحی شده است.
  
  به همین ترتیب، استارتاپ‌هایی مانند FarmWise و Verdant Robotics کشت‌کننده‌های هدایت‌شده با هوش مصنوعی ساخته‌اند. ربات «Sharpshooter» شرکت Verdant، برای مثال، از بینایی کامپیوتری استفاده می‌کند تا تنها مقدار کمی علف‌کش روی هر علف هرز اسپری کند و مصرف ورودی‌ها را حدود ۹۶٪ کاهش دهد. روش‌های مکانیکی به‌ویژه برای محصولات ارگانیک یا خاص که استفاده از علف‌کش در آن‌ها مشکل‌ساز است، بسیار امیدوارکننده‌اند.

• حذف با لیزر و حرارت: یک روش بسیار نوآورانه استفاده از لیزرهای پرقدرت یا پرتوهای حرارتی برای از بین بردن علف‌های هرز است. شرکت Carbon Robotics (آمریکا) دستگاه LaserWeeder G2 را توسعه داده است، ماشینی که به تراکتور متصل می‌شود و دارای چندین لیزر ۲۴۰ واتی و دوربین است.
  
  سیستم بینایی آن (با قدرت شبکه‌های عصبی) گیاهان را اسکن کرده و سپس لیزرها را برای سوزاندن دقیق بافت‌های مرکزی علف هرز فعال می‌کند. این روش بدون استفاده از مواد شیمیایی و بسیار دقیق است: Carbon Robotics ادعا می‌کند هدف‌گیری زیر میلی‌متری دارد و می‌تواند میلیون‌ها تصویر را در ساعت پردازش کند.
  
  (سیستم مشابهی در بریتانیا به نام Map & Zap نیز از لیزرهای هدایت‌شده با هوش مصنوعی با اثربخشی بیش از ۹۰٪ استفاده می‌کند.) گزینه حرارتی دیگر، استفاده از شعله است؛ برخی دستگاه‌ها از حرارت متمرکز برای پژمرده کردن علف‌های هرز بهره می‌برند.
  در همه این سیستم‌های لیزری/حرارتی، بینایی هوش مصنوعی حیاتی است – بدون آن، پرتو پرانرژی همه چیز را می‌سوزاند.

این روش‌های مختلف حذف علف هرز می‌توانند با هم ترکیب شوند. برای مثال، دانشگاه گولف یک اسکنر هوش مصنوعی نصب‌شده روی تراکتور ساخته است که چگالی علف هرز را در مزارع لوبیا نقشه‌برداری می‌کند.

کشاورزان سپس می‌توانند تنها روی بخش‌های نقشه‌برداری‌شده علف‌کش استفاده کنند. در آینده ممکن است سیستم‌های یکپارچه‌ای ببینیم که ربات‌ها با استفاده از بینایی هوش مصنوعی تصمیم می‌گیرند آیا علف هرز را اسپری، قطع یا سوزانده و این تصمیم را بر اساس نوع محصول و شرایط مزرعه اتخاذ می‌کنند.

مطالعات موردی واقعی

فناوری حذف علف هرز مبتنی بر هوش مصنوعی در حال حاضر در مزارع سراسر جهان به کار گرفته شده است. در اینجا چند نمونه آورده شده است:

• John Deere See & Spray: این سیستم پیشرو در صنعت به طور گسترده‌ای در کشاورزی دانه‌ای در مقیاس بزرگ پذیرفته شده است. در آزمایش‌های سال ۲۰۲۴، اسپری‌کننده‌های See & Spray بیش از ۱ میلیون هکتار را پوشش داده و حدود ۸ میلیون گالن علف‌کش صرفه‌جویی کردند.
  
  شرکت گزارش می‌دهد که کاهش مصرف علف‌کش به طور متوسط حدود ۵۹٪ در مزارع ذرت، سویا و پنبه بوده است. کشاورزان این سیستم را به دلیل صرفه‌جویی چشمگیر تحسین می‌کنند: یکی از کشاورزان کانزاس می‌گوید هزینه علف‌کش خود را با استفاده از این سیستم تا دو سوم کاهش داده است.
  
  از نظر فنی، See & Spray از دوربین‌های نصب‌شده روی بازو و شبکه‌های عصبی داخلی برای تصمیم‌گیری «علف هرز یا محصول» استفاده می‌کند. اگر علف هرز تشخیص داده شود، نازل مربوطه فعال می‌شود و این امکان استفاده با دقت نقطه‌ای را فراهم می‌کند.

• Carbon Robotics LaserWeeder: پاول مایکسل، بنیان‌گذار و مهندس سابق اوبر، سال‌ها روی توسعه یک دستگاه حذف علف هرز با لیزر مبتنی بر هوش مصنوعی کار کرده است. دستگاه LaserWeeder G2 او از یک شبکه عصبی کانولوشنی آموزش‌دیده برای شناسایی علف‌های هرز استفاده می‌کند و سپس با پالس‌های سریع لیزر آن‌ها را از بین می‌برد.
  
  این سیستم کاملاً روی دستگاه اجرا می‌شود و به اینترنت متصل نیست. Carbon Robotics بر کارایی آن تأکید دارد: لیزرهای آن می‌توانند علف‌های هرزی به کوچکی نوک قلم را قبل از رقابت با محصولات حذف کنند.
  
  در عمل، واحدهای LaserWeeder (که توسط تراکتورها کشیده می‌شوند) می‌توانند روز و شب کار کنند و مزارع را در مقیاس وسیع پاکسازی کنند. هر ماژول دارای چندین دوربین و پردازنده گرافیکی است و با دقت زیر میلی‌متری عمل می‌کند.
  
  این دقت باعث می‌شود تقریباً هیچ محصولی آسیب نبیند و نیازی به شخم اضافی خاک نباشد.

• Ecorobotix ARA Sprayer: شرکت سوئیسی Ecorobotix اسپری‌کننده‌ای با انرژی خورشیدی و دقت بالا به نام ARA تولید می‌کند. سیستم بینایی «گیاه به گیاه» آن با استفاده از یادگیری عمیق علف‌های هرز را با سرعت بالا شناسایی می‌کند.
  
  Ecorobotix ادعا می‌کند مصرف مواد شیمیایی را تا ۹۵٪ کاهش می‌دهد زیرا تنها علف‌های هرز را هدف قرار می‌دهد. آزمایش‌ها نشان می‌دهد هوش مصنوعی می‌تواند گونه‌های علف هرز را با دقت زیر سانتی‌متر در حین حرکت دستگاه شناسایی کند و در حدود ۲۵۰ میلی‌ثانیه برای هر گیاه تصمیم‌گیری می‌کند.
  
  این شرکت این محصول را برای سبزیجات با ارزش بالا و محصولات خاص که صرفه‌جویی در مواد شیمیایی و نیروی کار در آن‌ها حیاتی است، بازاریابی می‌کند.

• Verdant Robotics – Sharpshooter: یک استارتاپ به نام Verdant Robotics ربات Sharpshooter را ساخته است که با استفاده از بینایی کامپیوتری علف‌های هرز را شناسایی کرده و سپس مقدار کمی علف‌کش روی هر کدام اسپری می‌کند.
  
  در آزمایش‌ها، Verdant گزارش داده است که Sharpshooter می‌تواند مصرف علف‌کش را تا ۹۶٪ کاهش داده و هزینه‌های حذف علف هرز را بیش از ۵۰٪ نسبت به روش‌های سنتی کاهش دهد.
  
  این نمونه‌ای دیگر از فناوری اسپری نقطه‌ای است که با هوش مصنوعی فعال شده و سیستم بینایی کار یک تیم کامل اسپری‌کننده را انجام می‌دهد.

• ربات شناسایی علف هرز دانشگاه گولف: محققان به سرپرستی دکتر مدحت موسی یک سیستم نمونه اولیه برای مزارع لوبیا ارگانیک توسعه داده‌اند. یک دوربین هوش مصنوعی نصب‌شده روی تراکتور مزرعه را اسکن کرده و نقشه چگالی علف هرز مانند Pigweed را تولید می‌کند.
  
  الگوریتم‌ها تصاویر زیادی را به هم متصل می‌کنند و لوبیا را از علف‌های هرز تمایز می‌دهند تا کشاورز دقیقاً بداند کدام بخش‌های مزرعه نیاز به توجه دارند.
  
  این روش به گشت‌زنی دستی کمک می‌کند: زمان را صرفه‌جویی کرده، بخش‌های از دست رفته را کاهش می‌دهد و کاربرد دقیق علف‌کش را هدایت می‌کند. تصویر زیر دستگاه خودران گشت‌زنی آن‌ها را در مزرعه نشان می‌دهد.

• نوآوری‌های دیگر: شرکت Aigen (آمریکا) در حال توسعه ربات چرخ‌دار کاملاً خودران Element است که در مزارع گشت می‌زند، با انرژی خورشیدی کار می‌کند و با تیغه‌های هدایت‌شده توسط دوربین علف‌های هرز را فیزیکی حذف می‌کند.
  
  FarmWise (آمریکا) ربات‌های Vulcan و Titan را ساخته است که با استفاده از خطوط یادگیری ماشین اختصاصی علف‌های هرز بین ردیف‌های سبزیجات را شناسایی و مکانیکی حذف می‌کنند.
  
  مرکز توسعه دانشگاه پنسیلوانیا و دیگران درباره «کشت‌کننده‌های هوشمند» کشیده‌شده توسط تراکتور (Robovator شرکت VisionWeeding، Robocrop شرکت Garford) گزارش داده‌اند که با بینایی ماشین ابزارهای کشت را به‌دقت هدایت می‌کنند.
  
  حتی پهپادهای مجهز به دوربین‌های چندطیفی و الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند از بالا لکه‌های علف هرز را شناسایی کرده و به برنامه‌ریزی درمان‌ها کمک کنند.
  
  خلاصه اینکه، چه مزرعه بزرگ باشد و چه قطعه کوچک تخصصی، حذف‌کننده‌های علف هرز مجهز به هوش مصنوعی در اشکال مختلف در حال ظهور هستند.

مزایا: بهره‌وری، سودآوری و پایداری

کنترل علف هرز با هوش مصنوعی مزایای واضحی دارد:

• صرفه‌جویی چشمگیر در مواد شیمیایی: با اسپری کردن تنها روی علف‌های هرز، این سیستم‌ها مصرف علف‌کش را به شدت کاهش می‌دهند. برای مثال، شرکت John Deere گزارش داده است که میلیون‌ها گالن علف‌کش صرفه‌جویی شده است – تقریباً معادل ۱۲ استخر المپیک تنها در ۱ میلیون هکتار.
  
  مطالعات نشان می‌دهد که به طور متوسط مصرف علف‌کش در مزارع آزمایشی بین ۶۰ تا ۷۶٪ کاهش یافته است. کاهش مصرف مواد شیمیایی به نفع جیب کشاورزان و محیط زیست است.

• افزایش عملکرد و سلامت محصول: حذف زودهنگام و کامل‌تر علف‌های هرز به رشد بهتر محصولات کمک می‌کند. سیستم‌های هوش مصنوعی می‌توانند علف‌های هرز کوچک را که ممکن است انسان‌ها نادیده بگیرند، حذف کنند پیش از آنکه منابع را بگیرند.
  
  کشاورزانی که از حذف‌کننده‌های هوش مصنوعی استفاده می‌کنند اغلب گزارش می‌دهند که محصولات سالم‌تر، یکنواخت‌تر و با کیفیت بالاتری دارند. چون هوش مصنوعی علف‌های هرز را درست در «نقطه رشد» حذف می‌کند، فشار بذر علف هرز در آینده نیز کاهش می‌یابد.

• صرفه‌جویی در نیروی کار و زمان: حذف علف هرز به طور سنتی کاربر زیادی می‌طلبد (با دست یا رانندگی دقیق تراکتور). ربات‌های هوش مصنوعی این کار را به صورت خودکار انجام می‌دهند و زمان انسان را آزاد می‌کنند.
  
  برای مثال، ربات‌های دقیق نیاز به نیروی کار دستی را تا ۳۷٪ در شرایط سخت ردیف‌کاری کاهش می‌دهند. یک کشاورز گفته است استفاده از See & Spray حتی به یک اپراتور مبتدی اجازه داده عملکردی مشابه راننده تراکتور حرفه‌ای داشته باشد، به لطف کمک هوش مصنوعی.

• مزایای زیست‌محیطی و ایمنی: مصرف کمتر علف‌کش به معنی کاهش آلودگی آب و خاک است. روش‌های هدفمند همچنین به معنی کاهش تعداد عبور از مزارع (کاهش مصرف سوخت) و در بسیاری موارد عدم نیاز به شخم زدن (جلوگیری از فرسایش خاک) است.
  
  شرکت مشاوره McKinsey به «سود سه‌گانه» این اتوماسیون اشاره می‌کند: افزایش بهره‌وری، ایمنی بهتر در مزارع (کاهش تماس انسان با مواد شیمیایی) و پیشرفت در اهداف پایداری.

• صرفه‌جویی در هزینه‌ها: تمام این موارد به صرفه‌جویی مالی منجر می‌شوند. علاوه بر کاهش مصرف علف‌کش، کشاورزان در زمان استفاده از تجهیزات و نیروی کار نیز صرفه‌جویی می‌کنند.
  
  شرکت John Deere و شرکایش دریافته‌اند که اگرچه اسپری‌کننده‌های دقیق هزینه اولیه بالاتری دارند، بازگشت سرمایه می‌تواند ظرف ۱ تا ۳ سال به دلیل صرفه‌جویی در ورودی‌ها حاصل شود. بسیاری از کشاورزان در آزمایش‌ها هزینه کنترل علف هرز را به ازای هر هکتار تا نصف یا بیشتر کاهش داده‌اند پس از استفاده کامل از سیستم هوش مصنوعی.

چالش‌ها و پذیرش

با وجود وعده‌ها، حذف علف هرز با هوش مصنوعی هنوز نوپا است و به طور گسترده رایج نشده است. تا اوایل ۲۰۲۴ تنها حدود ۲۷٪ از مزارع آمریکا از فناوری کشاورزی دقیق برای وظایفی مانند کنترل علف هرز استفاده می‌کنند.

موانع شامل هزینه بالای تجهیزات، نیاز به دانش تخصصی و نگرانی‌ها درباره مالکیت داده‌ها و قابلیت اطمینان است. برخی کشاورزان همچنین نگران پیچیدگی فناوری هستند یا مزارعی دارند که علف‌های هرز آن‌ها بسیار شبیه محصولات است و تشخیص آن‌ها با بینایی کامپیوتری دشوار است.

برای مثال، یک کشاورز در داکوتای شمالی اعتراف کرد که نسبت به See & Spray شک داشت، اما پس از استفاده از آن به دلیل سهولت و اثربخشی، به آن ایمان آورد.

با این حال، کارشناسان صنعت انتظار رشد سریع دارند. افزایش قیمت ورودی‌ها (کود، علف‌کش، نیروی کار) و فشارهای زیست‌محیطی کشاورزان بیشتری را به سمت روش‌های دقیق سوق می‌دهد.

سازندگان تجهیزات کشاورزی بزرگ مانند Deere در حال عرضه «کیت‌های خودران» و تبلیغ قابلیت‌های هوش مصنوعی هستند، در حالی که استارتاپ‌های جدید سرمایه‌گذاران بزرگی را جذب می‌کنند.

نرم‌افزارها نیز آسان‌تر شده‌اند – برخی کشاورزان حتی با ابزارهای هوش مصنوعی مولد (مانند ChatGPT) برای کمک به برنامه‌ریزی عملیات مزرعه و تحلیل داده‌ها آزمایش می‌کنند.

با گذشت زمان، با کاهش هزینه‌ها و بهبود رابط‌ها، ابزارهای کنترل علف هرز هوش مصنوعی باید از مزارع بزرگ به مزارع متوسط و کوچک نیز گسترش یابند.

چشم‌انداز آینده

مدیریت علف هرز مبتنی بر هوش مصنوعی هنوز در حال تکامل است، اما روندها واضح است: ماشین‌های هوشمند‌تر به طور فزاینده‌ای وظایف حذف علف هرز روزمره را بر عهده خواهند گرفت.

سیستم‌های آینده ممکن است حالت‌های حسگری مختلف (دوربین‌های RGB، تصویربرداری چندطیفی، حتی حسگرهای بوی گیاه) را ترکیب کرده و به طور پویا تصمیم بگیرند که هر علف هرز را اسپری، قطع یا بسوزانند.

آن‌ها احتمالاً با ابزارهای GPS و نقشه‌برداری مزرعه یکپارچه خواهند شد تا تصمیمات ثبت و برای دفعات بعدی یاد گرفته شوند.

همان‌طور که یک کارشناس گفته است، کشاورزان «ابزاری می‌خواهند که همه کارها را انجام دهد» – هوش مصنوعی در حال حرکت به سمت این چشم‌انداز است و به ماشین‌ها انعطاف‌پذیری حل مشکلات لحظه‌ای در مزرعه را می‌دهد.

مهم‌تر از همه، این راهکارهای هوش مصنوعی با نیازهای جهانی به کشاورزی پایدار همسو هستند. مصرف‌کنندگان و ناظران به طور فزاینده‌ای خواستار کاهش باقی‌مانده‌های شیمیایی و کشاورزی دوستدار محیط زیست هستند.

>>> ممکن است ندانید: چگونه با هوش مصنوعی آفات و بیماری‌های گیاهی را پیش‌بینی کنیم

با کاهش مصرف علف‌کش تا ۸۰–۹۵٪ در برخی موارد، حذف‌کننده‌های علف هرز هوش مصنوعی به طور مستقیم از این اهداف حمایت می‌کنند. آن‌ها همچنین به مزارع کمک می‌کنند تا با کمبود نیروی کار و فشارهای اقلیمی سازگار شوند.

خلاصه اینکه، شناسایی و حذف علف هرز کنترل‌شده توسط هوش مصنوعی به عنوان یک فناوری تحول‌آفرین در کشاورزی در حال ظهور است – فناوری‌ای که وعده می‌دهد کشاورزی را برای آینده پاک‌تر، ایمن‌تر و پربارتر کند.