Applicazione di intelligenza artificiale per identificare le infestanti e rimuoverle automaticamente
Le infestanti rappresentano una sfida persistente nell’agricoltura, competendo con le colture per luce solare, acqua e nutrienti. Oggi l’obiettivo non è solo “uccidere le infestanti” con trattori o prodotti chimici, ma rimuoverle selettivamente senza danneggiare le colture. Grazie alla potenza dell’intelligenza artificiale (IA) e della robotica, le macchine moderne possono distinguere tra colture e infestanti tramite visione artificiale, eliminando automaticamente le infestanti con irrorazioni di precisione, strumenti meccanici, laser o calore. Questa innovazione riduce i costi, minimizza l’uso di sostanze chimiche e supporta un’agricoltura sostenibile.
Le infestanti sono un problema persistente in agricoltura perché competono con le colture per luce solare, acqua e nutrienti. La sfida oggi non è semplicemente “uccidere le infestanti” (i trattori e gli erbicidi possono farlo) ma farlo in modo selettivo – rimuovendo le infestanti senza danneggiare le colture.
L’intelligenza artificiale e la robotica all’avanguardia offrono ora nuovi strumenti potenti per questo. Utilizzando la visione artificiale e l’apprendimento automatico, le macchine agricole moderne possono “vedere” le singole piante, distinguere colture da infestanti e quindi rimuovere o eliminare automaticamente le infestanti.
Come l’IA identifica le infestanti
Il controllo delle infestanti guidato dall’IA si basa su visione artificiale e apprendimento profondo. Telecamere montate su trattori, irroratrici o piccoli robot catturano immagini delle piante, e modelli di IA (spesso reti neurali convoluzionali, o CNN) sono addestrati a distinguere colture da infestanti.
Carbon Robotics
John Deere
Il risultato è che i sistemi di visione moderni possono segnalare le infestanti con precisione a livello di pixel. Funzionano in tempo reale mentre la macchina si muove.
Le barre See & Spray di John Deere sono dotate di molte telecamere e processori a bordo che scansionano migliaia di metri quadrati al secondo. Ogni piccolo fotogramma della telecamera viene analizzato dall’apprendimento automatico per decidere “coltura o infestante?”, e se è un’infestante, il sistema attiva immediatamente l’ugello di spruzzo per quel punto.
— Documentazione tecnica John Deere
In pratica, l’IA trasforma un trattore in un robot molto intelligente, capace di identificare anche infestanti piccole con 2–3 foglie in un campo.
Metodi di rimozione delle infestanti guidati dall’IA
Una volta identificate, le infestanti vengono rimosse con sistemi diversi. I tre approcci principali sono irrorazione mirata, diserbo meccanico e diserbo laser o termico. Tutti utilizzano la visione IA per concentrare il trattamento solo sulle infestanti.
Irrorazione di precisione (Spot Sprayers)
Questi sistemi montano telecamere su una barra di spruzzo o piattaforma mobile e sparano erbicida solo sulle infestanti rilevate. Il sistema See & Spray di John Deere, ad esempio, usa telecamere montate sulla barra e IA per ridurre l’uso di erbicidi di circa il 59% in media.
Funzionamento ad alta velocità
Scansiona i campi a velocità fino a 24 km/h
- Elaborazione in tempo reale con reti neurali
- Attivazione individuale degli ugelli
Riduzione chimica
Risparmio drastico di erbicidi
- Riduzione del volume di erbicida di 20 volte
- Taglio fino al 95% nell’uso di sostanze chimiche
Diserbatori meccanici
Alcuni robot autonomi usano strumenti fisici invece di spray. Per esempio, il robot Element di Aigen (finanziato da grandi aziende tecnologiche) combina telecamere e IA con una “zappa” meccanica che taglia le infestanti alla radice.
- Funzionamento a energia solare/eolica
- Diserbo continuo senza sostanze chimiche
- Metodo a contatto che lascia intatte le colture
- Perfetto per l’agricoltura biologica
Analogamente, startup come FarmWise e Verdant Robotics hanno costruito coltivatori guidati dall’IA. Il robot “Sharpshooter” di Verdant, ad esempio, usa la visione artificiale per spruzzare una piccola dose di erbicida solo su ogni infestante, riducendo l’uso di input di circa il 96%. I metodi meccanici sono particolarmente promettenti per colture biologiche o speciali dove l’uso di erbicidi è problematico.
Diserbo laser e termico
Un metodo molto innovativo utilizza laser ad alta potenza o fasci di calore per uccidere le infestanti. Carbon Robotics (USA) ha sviluppato il LaserWeeder G2, una macchina trainata da trattore con molteplici laser da 240 watt e telecamere.
Il suo sistema di visione (alimentato da reti neurali) scansiona le piante e poi spara i laser per bruciare con precisione i tessuti centrali dell’infestante. Questo approccio è privo di sostanze chimiche ed estremamente preciso: Carbon Robotics dichiara un targeting sub-millimetrico e può elaborare milioni di immagini all’ora.
Questi diversi metodi di diserbo possono anche essere combinati. Per esempio, l’Università di Guelph ha costruito uno scanner IA montato su trattore che mappa la densità delle infestanti nei campi di fagioli lima.
Gli agricoltori possono quindi applicare erbicida solo sulle zone mappate. In futuro potremmo vedere sistemi integrati: un robot potrebbe usare la visione IA per decidere se spruzzare, tagliare o bruciare una determinata infestante a seconda del tipo di coltura e delle condizioni.
Casi di studio reali
La tecnologia moderna di diserbo con IA è già in uso nelle aziende agricole di tutto il mondo. Ecco alcuni esempi:
John Deere See & Spray
Questo sistema leader del settore è stato ampiamente adottato nelle grandi coltivazioni di cereali. Nei test del 2024, le irroratrici See & Spray hanno trattato oltre 400.000 ettari e risparmiato circa 30 milioni di litri di erbicida.
Ho ridotto i costi degli erbicidi di due terzi usando il sistema.
— Agricoltore del Kansas
Tecnologicamente, See & Spray usa telecamere montate sulla barra e reti neurali a bordo per decidere “infestante o no”. Se rileva un’infestante, la macchina attiva un ugello individuale, permettendo un’applicazione a precisione puntuale.
Carbon Robotics LaserWeeder
Il fondatore Paul Mikesell (ex ingegnere Uber) ha dedicato anni allo sviluppo di un diserbatore laser guidato da IA. Il suo LaserWeeder G2 usa una CNN addestrata per trovare infestanti e poi le colpisce con rapidi impulsi laser.
- Funziona interamente sulla macchina senza accesso al cloud
- Può eliminare infestanti “piccole come la punta di una penna”
- Opera giorno e notte su larga scala
- Precisione sub-millimetrica
In pratica, le unità LaserWeeder (trainate da trattori) possono operare giorno e notte e lavorare su larga scala. Hanno molte telecamere e GPU per modulo, e operano con precisione sub-millimetrica. Questa precisione significa che praticamente nessuna coltura viene danneggiata e non è necessario ulteriore lavorio del terreno.
Ecorobotix ARA Sprayer
L’azienda svizzera Ecorobotix produce un irroratore ad alta precisione alimentato a energia solare chiamato ARA. Il suo sistema di visione “Plant-by-Plant™” usa l’apprendimento profondo per individuare infestanti ad alta velocità.
Riduzione chimica
Fino al 95% di riduzione nell’uso di sostanze chimiche
Tempo di risposta
~250 millisecondi per decisione su ogni pianta
I test mostrano che l’IA può identificare le specie infestanti con precisione sub-centimetrica mentre la macchina si muove, prendendo decisioni in circa 250 millisecondi per pianta. L’azienda lo commercializza per ortaggi di alto valore e colture speciali dove risparmiare sostanze chimiche e lavoro è fondamentale.
Verdant Robotics – Sharpshooter
Una startup chiamata Verdant Robotics ha costruito lo Sharpshooter, un robot che usa la visione artificiale per individuare infestanti e poi spruzza una piccola dose su ciascuna.
Irrorazione convenzionale
- Alto uso di erbicidi
- Costi più elevati
- Impatto ambientale
Precisione guidata da IA
- Riduzione del 96% nell’uso di erbicidi
- Risparmio sui costi superiore al 50%
- Impatto ambientale minimo
Questo è un altro esempio di tecnologia di irrorazione puntuale abilitata dall’IA, dove il sistema di visione fa il lavoro di un’intera squadra di operatori.
Ricerca Università di Guelph
I ricercatori guidati dal Dr. Medhat Moussa hanno sviluppato un sistema prototipo per aziende agricole biologiche di fagioli lima. Un sistema di telecamere IA montato su trattore scansiona il campo e produce una mappa di densità delle infestanti della cicoria (ad esempio).
Acquisizione immagini
Il sistema di telecamere IA scansiona il campo
Analisi IA
Gli algoritmi distinguono i fagioli lima dalle infestanti
Mappatura della densità
Produce una mappa precisa della densità delle infestanti
Questo approccio integra il monitoraggio manuale: fa risparmiare tempo, riduce le zone non rilevate e guida l’applicazione precisa di erbicidi.
Altre innovazioni
- Aigen (USA): Sviluppa un robot completamente autonomo su ruote, Element, che pattuglia i campi, usa energia solare e sradica fisicamente le infestanti con lame guidate da telecamere.
- FarmWise (USA): Ha creato i robot Vulcan e Titan che utilizzano pipeline proprietarie di machine learning per identificare e rimuovere meccanicamente le infestanti tra le file nelle coltivazioni orticole.
- Coltivatori intelligenti: Penn State Extension riporta su “coltivatori intelligenti” trainati da trattore (Robovator di VisionWeeding, Robocrop di Garford) che usano la visione artificiale per guidare con precisione gli attrezzi di coltivazione.
- Droni aerei: Anche i droni aerei dotati di telecamere multispettrali e algoritmi IA possono individuare le zone infestanti dall’alto, aiutando a pianificare i trattamenti.
In sintesi, che si tratti di grandi aziende agricole o piccoli appezzamenti specializzati, i diserbatori con IA stanno emergendo in molte forme.
Benefici: efficienza, redditività e sostenibilità
Il controllo delle infestanti con IA offre vantaggi evidenti:
Risparmio chimico drastico
Spruzzando solo sulle infestanti, questi sistemi riducono drasticamente il volume di erbicidi.
- John Deere riporta milioni di litri risparmiati
- Circa 12 piscine olimpioniche su solo 400.000 ettari
- Risparmio medio del 60–76% nell’uso di erbicidi
Maggiore resa e salute delle colture
Rimuovere le infestanti prima e più completamente aiuta le colture a prosperare.
- Elimina infestanti piccole che gli umani potrebbero non vedere
- Colture più sane e uniformi
- Riduce la pressione futura di semi infestanti
Risparmio di lavoro e tempo
I robot IA eseguono automaticamente il diserbo, liberando tempo umano.
- Fino al 37% di riduzione degli operatori manuali necessari
- Operatori inesperti raggiungono prestazioni da esperti
- Diserbo di precisione automatizzato
Benefici ambientali e di sicurezza
Meno erbicidi significa meno contaminazione di acqua e suolo.
- Meno passaggi nei campi (riducendo il consumo di carburante)
- Nessuna lavorazione del terreno in molti casi (prevenendo l’erosione)
- Migliore sicurezza in azienda (meno persone a contatto con sostanze chimiche)
Analisi dell’efficienza dei costi
| Fattore di costo | Metodo tradizionale | Diserbo con IA | Risparmio |
|---|---|---|---|
| Costi erbicidi | Applicazione ad alto volume | Applicazione mirata | Riduzione 60-95% |
| Costi lavoro | Squadre di diserbo manuale | Operazione automatizzata | Riduzione 37% |
| Tempo macchina | Molteplici passaggi nei campi | Singolo passaggio di precisione | Risparmio tempo oltre 50% |
| Tempi di ritorno investimento | N/D | Costo iniziale più elevato | Rientro in 1-3 anni |
Tutto ciò si traduce in risparmi sui costi. Oltre alla riduzione degli erbicidi, gli agricoltori risparmiano tempo macchina e manodopera. John Deere e i suoi partner hanno scoperto che, sebbene le irroratrici di precisione costino di più inizialmente, il ritorno sull’investimento può arrivare in soli 1–3 anni grazie al risparmio sugli input. Molti coltivatori nei test hanno dimezzato o più i costi di controllo infestanti per ettaro una volta adottato completamente il sistema IA.
Sfide e adozione
Nonostante le promesse, il diserbo con IA è ancora nuovo e non ancora diffuso ovunque. All’inizio del 2024 solo circa il 27% delle aziende agricole statunitensi utilizza tecnologie di agricoltura di precisione per compiti come il controllo delle infestanti.
Barriere attuali
- Alto costo delle attrezzature
- Necessità di conoscenze specializzate
- Preoccupazioni sulla proprietà e affidabilità dei dati
- Complessità tecnologica
- Campi con infestanti molto simili alle colture
Ero scettico su See & Spray, ma dopo averlo usato sono diventato un convinto sostenitore perché si è dimostrato facile ed efficace.
— Agricoltore del North Dakota
Fattori di crescita
Tuttavia, gli esperti del settore prevedono una crescita rapida. L’aumento dei prezzi degli input (fertilizzanti, erbicidi, lavoro) e le pressioni ambientali spingono sempre più agricoltori verso metodi di precisione.
Produttori di attrezzature
Innovazione startup
Integrazione IA
Prospettive per il futuro
La gestione delle infestanti guidata dall’IA è ancora in evoluzione, ma le tendenze sono chiare: macchine sempre più intelligenti gestiranno progressivamente i compiti di diserbo di routine.
Sensori multimodali
Combinare telecamere RGB, imaging multispettrale e persino sensori di odore delle piante
Decisioni dinamiche
Decidere dinamicamente se spruzzare, tagliare o bruciare ogni infestante
Sistemi integrati
Integrazione con GPS agricolo e strumenti di mappatura per apprendimento continuo
Gli agricoltori vogliono “uno strumento che faccia tutto” – l’IA si sta muovendo verso questa visione dando alle macchine la flessibilità di risolvere problemi sul campo in tempo reale.
— Esperto di tecnologia agricola
Impatto globale sulla sostenibilità
Fondamentalmente, queste soluzioni IA sono in linea con le esigenze globali di agricoltura sostenibile. Consumatori e regolatori chiedono sempre più residui chimici ridotti e pratiche agricole ecocompatibili.
Riduzione chimica
Riduzione dell’80–95% nell’uso di erbicidi in alcuni casi
Soluzioni per la manodopera
Aiuta le aziende agricole ad adattarsi alla carenza di manodopera
Adattamento climatico
Supporta le aziende agricole che affrontano stress climatici
