Chwasty są uporczywym problemem w rolnictwie, ponieważ konkurują z uprawami o światło słoneczne, wodę i składniki odżywcze. Wyzwanie dzisiaj to nie tylko „zabijanie chwastów” (można to zrobić traktorami i herbicydami), ale selektywne ich usuwanie – eliminowanie chwastów bez szkody dla upraw.

Nowoczesna sztuczna inteligencja i robotyka oferują potężne narzędzia do tego celu. Dzięki wykorzystaniu widzenia komputerowego i uczenia maszynowego, współczesne maszyny rolnicze potrafią „widzieć” pojedyncze rośliny, rozróżniać uprawy od chwastów, a następnie automatycznie usuwać lub niszczyć chwasty.

Te systemy obiecują oszczędność pracy, ograniczenie stosowania chemikaliów oraz zwiększenie efektywności i zrównoważoności rolnictwa.

Jak SI identyfikuje chwasty

Kontrola chwastów oparta na SI wykorzystuje widzenie komputerowe i głębokie uczenie. Kamery zamontowane na traktorach, opryskiwaczach lub małych robotach rejestrują obrazy roślin, a modele SI (często konwolucyjne sieci neuronowe, CNN) są trenowane, aby rozróżniać uprawy od chwastów.

Na przykład Carbon Robotics przesyła miliony oznaczonych zdjęć chwastów i upraw, aby wytrenować CNN do wykrywania chwastów, który działa na sprzęcie LaserWeeder całkowicie lokalnie (bez potrzeby internetu). John Deere podobnie wykorzystuje wbudowane systemy widzenia i CNN w swoich autonomicznych traktorach i opryskiwaczach See & Spray do rozpoznawania chwastów w czasie rzeczywistym. W badaniach naukowych specjalistyczne modele SI, takie jak warianty YOLO i transformery wizji, osiągnęły ponad 90% skuteczności w wykrywaniu gatunków chwastów na polach.

W efekcie nowoczesne systemy widzenia potrafią oznaczać chwasty z precyzją na poziomie pojedynczych pikseli. Działają w czasie rzeczywistym podczas ruchu maszyny.

Na przykład opryskiwacze See & Spray firmy John Deere wyposażone są w wiele kamer i procesorów pokładowych, które skanują tysiące stóp kwadratowych na sekundę. Każda klatka z kamery jest analizowana przez uczenie maszynowe, aby zdecydować „uprawa czy chwast?”, a jeśli to chwast, system natychmiast aktywuje dyszę oprysku dla tego miejsca.

W praktyce SI zamienia traktor w bardzo inteligentnego robota, zdolnego do identyfikacji nawet małych chwastów z 2–3 liśćmi na polu.

Metody usuwania chwastów sterowane SI

Po zidentyfikowaniu chwastów różne systemy usuwają je na różne sposoby. Trzy główne podejścia to precyzyjny oprysk, mechaniczne odchwaszczanie oraz usuwanie laserowe lub termiczne. Wszystkie wykorzystują widzenie SI, aby skupić zabieg wyłącznie na chwastach.

• Precyzyjny oprysk (opryskiwacze punktowe): Systemy te montują kamery na belce opryskującej lub platformie mobilnej i aplikują herbicyd tylko na wykryte chwasty. System See & Spray John Deere wykorzystuje kamery zamontowane na belce i SI, co pozwala średnio zmniejszyć zużycie herbicydu o około 59%.
  
  Opryskiwacz skanuje pole z prędkością do 15 mph, a gdy sieć neuronowa na pokładzie rozpozna chwast, aktywuje indywidualną dyszę nad tą rośliną. W przeciwieństwie do tego, tradycyjny oprysk pokrywa całe pole.
  
  Badania pokazują, że takie roboty do oprysku punktowego mogą zmniejszyć objętość herbicydu nawet 20-krotnie i ograniczyć stosowanie chemikaliów do 95%. Firma Ecorobotix (szwajcarska firma agritech) również promuje swój ultra-precyzyjny opryskiwacz polowy, który dzięki oprogramowaniu SI rozróżnia chwasty od upraw i opryskuje tylko niepożądane rośliny.
  
  W praktyce te opryskiwacze SI zaoszczędziły miliony galonów chemikaliów – John Deere podaje, że See & Spray zaoszczędził około 8 milionów galonów herbicydów na ponad milionie akrów w 2024 roku.

• Mechaniczne odchwaszczanie: Niektóre autonomiczne roboty wykorzystują narzędzia fizyczne zamiast oprysku. Na przykład robot Element firmy Aigen (finansowany przez duże firmy technologiczne) łączy kamery i SI z mechaniczną „motyką”, która ścina chwasty u podstawy.
  
  Robot porusza się między rzędami upraw, a jego algorytmy kierują ostrym ostrzem, które rozdrabnia wykryte chwasty. Ponieważ jest to metoda kontaktowa, uprawy pozostają nienaruszone. Element działa na energii słonecznej i wiatrowej i jest zaprojektowany do ciągłego odchwaszczania bez użycia chemikaliów.
  
  Podobnie startupy takie jak FarmWise i Verdant Robotics stworzyły kultivatory sterowane SI. Robot Verdant „Sharpshooter” wykorzystuje widzenie komputerowe do oprysku bardzo małą dawką herbicydu każdego chwastu, redukując zużycie środków o około 96%. Metody mechaniczne są szczególnie obiecujące dla upraw ekologicznych lub specjalistycznych, gdzie stosowanie herbicydów jest problematyczne.

• Usuwanie laserowe i termiczne: Bardzo nowatorską metodą jest użycie wysokoenergetycznych laserów lub wiązek ciepła do niszczenia chwastów. Firma Carbon Robotics (USA) opracowała LaserWeeder G2, maszynę ciągniętą przez traktor, wyposażoną w wiele laserów o mocy 240 watów i kamery.
  
  System widzenia (oparty na sieciach neuronowych) skanuje rośliny, a następnie precyzyjnie wypala tkanki chwastów laserem. Ta metoda jest wolna od chemikaliów i niezwykle dokładna: Carbon Robotics deklaruje celność poniżej milimetra i możliwość przetwarzania milionów obrazów na godzinę.
  
  (Podobny system z Wielkiej Brytanii, zwany Map & Zap, również wykorzystuje lasery sterowane SI z ponad 90% skutecznością.) Inną termiczną opcją jest wypalanie; niektóre maszyny stosują kierowane ciepło do więdnięcia chwastów.
  We wszystkich tych systemach laserowych i termicznych kluczowe jest widzenie SI – bez niego wiązka o wysokiej energii zniszczyłaby wszystko.

Te różne metody odchwaszczania można także łączyć. Na przykład Uniwersytet w Guelph stworzył skaner SI montowany na traktorze, który mapuje gęstość chwastów na polach fasoli lima.

Rolnicy mogą wtedy stosować herbicyd tylko na oznaczonych obszarach. W przyszłości możemy spodziewać się systemów zintegrowanych: robot może używać widzenia SI, aby zdecydować czy opryskać, wyciąć czy wypalić dany chwast w zależności od rodzaju uprawy i warunków.

Przykłady zastosowań w praktyce

Nowoczesna technologia odchwaszczania oparta na SI jest już stosowana na farmach na całym świecie. Oto kilka przykładów:

• John Deere See & Spray: Ten wiodący system został szeroko przyjęty w dużych gospodarstwach zbożowych. W testach w 2024 roku opryskiwacze See & Spray obsłużyły ponad milion akrów i zaoszczędziły około 8 milionów galonów herbicydu.
  
  Firma podaje średnie zmniejszenie zużycia herbicydu o około 59% na polach kukurydzy, soi i bawełny. Rolnicy chwalą See & Spray za znaczące oszczędności: jeden z producentów z Kansas twierdzi, że dzięki systemowi obniżył koszty herbicydu o dwie trzecie.
  
  Technicznie See & Spray wykorzystuje kamery zamontowane na belce i sieci neuronowe na pokładzie, które decydują „chwast czy nie?”. Po wykryciu chwastu maszyna uruchamia indywidualną dyszę, umożliwiając precyzyjne punktowe stosowanie środka.

• Carbon Robotics LaserWeeder: Założyciel Paul Mikesell (były inżynier Ubera) przez lata rozwijał laserowy system do usuwania chwastów sterowany SI. Jego LaserWeeder G2 wykorzystuje wytrenowaną CNN do wykrywania chwastów, a następnie strzela do nich krótkimi impulsami laserowymi.
  
  System działa całkowicie lokalnie, bez dostępu do chmury. Carbon Robotics podkreśla efektywność: ich lasery mogą eliminować chwasty „tak małe jak końcówka długopisu” zanim zaczną konkurować z uprawami.
  
  W praktyce jednostki LaserWeeder (ciągnięte przez traktory) mogą pracować dzień i noc, obsługując pola na dużą skalę. Mają wiele kamer i procesorów GPU na moduł i działają z dokładnością poniżej milimetra.
  
  Dzięki tej precyzji praktycznie żadna roślina uprawna nie jest uszkadzana i nie jest potrzebna dodatkowa uprawa gleby.

• Ecorobotix ARA Sprayer: Szwajcarska firma Ecorobotix produkuje zasilany energią słoneczną, wysokoprecyzyjny opryskiwacz ARA. Jego system widzenia „Plant-by-Plant™” wykorzystuje głębokie uczenie do szybkiego wykrywania chwastów.
  
  Ecorobotix deklaruje do 95% redukcji zużycia chemikaliów, ponieważ opryskuje tylko chwasty. Testy pokazują, że SI potrafi rozpoznawać gatunki chwastów z dokładnością poniżej centymetra podczas ruchu maszyny, podejmując decyzje w około 250 milisekund na roślinę.
  
  Firma kieruje produkt do upraw warzyw wysokiej wartości i specjalistycznych, gdzie oszczędność chemikaliów i pracy jest kluczowa.

• Verdant Robotics – Sharpshooter: Startup Verdant Robotics stworzył robota Sharpshooter, który wykorzystuje widzenie komputerowe do wykrywania chwastów, a następnie aplikuje na każdy z nich bardzo małą dawkę oprysku.
  
  W testach Verdant podał, że Sharpshooter może zmniejszyć zużycie herbicydu o 96% i obniżyć koszty odchwaszczania o ponad 50% w porównaniu z tradycyjnymi metodami.
  
  To kolejny przykład technologii oprysku punktowego wspieranej przez SI, gdzie system widzenia zastępuje cały zespół opryskiwaczy.

• Robot do skanowania chwastów Uniwersytetu w Guelph: Zespół pod kierownictwem dr Medhata Moussy opracował prototyp systemu dla ekologicznych upraw fasoli lima. Kamera SI zamontowana na traktorze skanuje pole i tworzy mapę gęstości chwastów, np. komosy białej.
  
  Algorytmy łączą wiele obrazów, rozróżniając fasolę lima od chwastów, dzięki czemu rolnik dokładnie wie, które fragmenty pola wymagają interwencji.
  
  To rozwiązanie wspiera ręczne skanowanie: oszczędza czas, zmniejsza ryzyko pominięcia obszarów i umożliwia precyzyjne stosowanie herbicydów. Poniższe zdjęcie pokazuje ich autonomiczną maszynę w polu.

• Inne innowacje: Firma Aigen (USA) rozwija w pełni autonomicznego robota kołowego Element, który patroluje pola, korzysta z energii słonecznej i mechanicznie usuwa chwasty za pomocą ostrzy sterowanych kamerami.
  
  FarmWise (USA) stworzył roboty Vulcan i Titan, które wykorzystują własne algorytmy uczenia maszynowego do identyfikacji i mechanicznego usuwania chwastów między rzędami na farmach warzywnych.
  
  Instytucje takie jak Penn State Extension raportują o ciągnikach z „inteligentnymi kultivatorami” (Robovator VisionWeeding, Robocrop Garford), które dzięki widzeniu maszynowemu precyzyjnie kierują narzędzia uprawowe.
  
  Nawet drony wyposażone w kamery multispektralne i algorytmy SI potrafią wykrywać skupiska chwastów z powietrza, pomagając planować zabiegi.
  
  Podsumowując, niezależnie od wielkości gospodarstwa, roboty odchwaszczające oparte na SI pojawiają się w wielu formach.

Korzyści: efektywność, rentowność i zrównoważony rozwój

Kontrola chwastów za pomocą SI przynosi wyraźne korzyści:

• Znaczne oszczędności chemikaliów: Dzięki opryskowi wyłącznie chwastów systemy te drastycznie ograniczają ilość stosowanych herbicydów. Na przykład John Deere podaje, że zaoszczędzono miliony galonów – co odpowiada około 12 basenom olimpijskim na milion akrów.
  
  Badania wykazują średnie oszczędności od 60 do 76% w zużyciu herbicydów na testowanych polach. Mniejsze zużycie chemikaliów to korzyść zarówno dla budżetu rolnika, jak i środowiska.

• Wyższe plony i lepsze zdrowie upraw: Wczesne i dokładne usuwanie chwastów pomaga uprawom lepiej się rozwijać. Systemy SI eliminują małe chwasty, które mogłyby zostać przeoczone przez ludzi, zanim zaczną konkurować o zasoby.
  
  Rolnicy korzystający z robotów SI często zauważają zdrowsze, bardziej jednolite uprawy i wyższą jakość plonów. Ponieważ SI usuwa chwasty u ich „punktu wzrostu”, zmniejsza też presję nasion chwastów na polach w przyszłości.

• Oszczędność pracy i czasu: Odchwaszczanie tradycyjnie wymaga dużo pracy ręcznej lub precyzyjnej jazdy traktorem. Roboty SI wykonują tę pracę automatycznie, uwalniając czas ludzi.
  
  Na przykład roboty precyzyjne zmniejszają potrzebę ręcznego odchwaszczania nawet o 37% w trudnych warunkach upraw rzędowych. Jeden z rolników powiedział, że dzięki See & Spray nawet początkujący operator osiąga wyniki eksperta w prowadzeniu kombajnu, dzięki wsparciu SI.

• Korzyści dla środowiska i bezpieczeństwa: Mniejsze zużycie herbicydów oznacza mniej spływów do wód i gleby. Techniki celowane zmniejszają też liczbę przejazdów po polu (co ogranicza zużycie paliwa) i często eliminują konieczność orki (zapobiegając erozji gleby).
  
  Firma doradcza McKinsey wskazuje na „potrójne zwycięstwo” takiej automatyzacji: wyższą wydajność, lepsze bezpieczeństwo na farmie (mniej osób mających kontakt z chemikaliami) oraz postęp w realizacji celów zrównoważonego rozwoju.

• Efektywność kosztowa: Wszystko to przekłada się na oszczędności. Poza redukcją herbicydów rolnicy oszczędzają na czasie pracy sprzętu i zatrudnieniu.
  
  John Deere i partnerzy zauważyli, że choć opryskiwacze precyzyjne są droższe na starcie, zwrot z inwestycji może nastąpić już po 1–3 latach dzięki oszczędnościom na środkach. Wielu producentów w testach obniżyło koszty kontroli chwastów na akr nawet o połowę lub więcej po pełnym wdrożeniu systemu SI.

Wyzwania i wdrożenia

Pomimo obiecujących perspektyw, odchwaszczanie za pomocą SI jest wciąż nowością i nie jest jeszcze powszechne. Na początku 2024 roku około 27% gospodarstw w USA korzystało z technologii precyzyjnego rolnictwa do zadań takich jak kontrola chwastów.

Barierami są wysokie koszty sprzętu, potrzeba specjalistycznej wiedzy oraz obawy dotyczące własności danych i niezawodności. Niektórzy rolnicy obawiają się też złożoności technologii lub mają pola z chwastami bardzo podobnymi do upraw, co utrudnia rozróżnianie za pomocą widzenia komputerowego.

Na przykład rolnik z Dakoty Północnej przyznał, że był sceptyczny wobec See & Spray, ale po użyciu systemu stał się jego zwolennikiem, ponieważ okazał się łatwy i skuteczny.

Eksperci branżowi spodziewają się jednak szybkiego wzrostu. Rosnące ceny nawozów, herbicydów i pracy oraz presje środowiskowe skłaniają coraz więcej rolników do stosowania metod precyzyjnych.

Duzi producenci sprzętu rolniczego, tacy jak Deere, wprowadzają „zestawy autonomiczne” i promują możliwości SI, a nowe startupy przyciągają inwestorów z branży rolniczej.

Oprogramowanie staje się też coraz prostsze – niektórzy rolnicy eksperymentują nawet z narzędziami generatywnej SI (takimi jak ChatGPT) do planowania prac polowych i analizy danych.

Z czasem, wraz ze spadkiem kosztów i ulepszeniem interfejsów, narzędzia do kontroli chwastów oparte na SI powinny upowszechnić się także w gospodarstwach średniej i małej wielkości.

Perspektywy na przyszłość

Zarządzanie chwastami sterowane SI wciąż się rozwija, ale trendy są jasne: coraz bardziej inteligentne maszyny będą przejmować rutynowe zadania odchwaszczania.

Przyszłe systemy mogą łączyć różne tryby wykrywania (kamery RGB, obrazowanie multispektralne, a nawet sensory zapachu roślin) i dynamicznie decydować, czy opryskać, wyciąć czy wypalić każdy chwast.

Prawdopodobnie będą integrować się z narzędziami GPS i mapowania gospodarstwa, tak aby decyzje były zapisywane i wykorzystywane w przyszłości.

Jak powiedział jeden z ekspertów, rolnicy chcą „narzędzia, które robi wszystko” – SI zmierza w tym kierunku, dając maszynom elastyczność do rozwiązywania problemów na miejscu w polu.

Co ważne, te rozwiązania SI wpisują się w globalne potrzeby zrównoważonego rolnictwa. Konsumenci i regulatorzy coraz częściej wymagają niższych pozostałości chemicznych i ekologicznych metod uprawy.

>>> Możliwe, że nie wiedzieli Państwo: Jak przewidywać szkodniki i choroby roślin za pomocą sztucznej inteligencji

Dzięki ograniczeniu stosowania herbicydów o 80–95% w niektórych przypadkach, roboty SI bezpośrednio wspierają te cele. Pomagają też gospodarstwom radzić sobie z niedoborem siły roboczej i skutkami zmian klimatycznych.

Podsumowując, wykrywanie i usuwanie chwastów sterowane SI to technologia przełomowa w rolnictwie – obiecująca uczynić je czystszym, bezpieczniejszym i bardziej wydajnym w przyszłości.