Бур’яни є постійною проблемою у сільському господарстві, оскільки вони конкурують з культурами за сонячне світло, воду та поживні речовини. Сьогоднішнє завдання полягає не просто у «знищенні бур’янів» (з цим справляються трактори та гербіциди), а у вибірковому їх видаленні без шкоди для культур.

Сучасні технології ШІ та робототехніки пропонують потужні нові інструменти для цього. Використовуючи комп’ютерний зір і машинне навчання, сучасні сільськогосподарські машини можуть «бачити» окремі рослини, розрізняти культури від бур’янів і автоматично видаляти або знищувати бур’яни.

Ці системи обіцяють заощадити робочу силу, зменшити використання хімікатів і зробити сільське господарство більш ефективним і сталим.

Як ШІ розпізнає бур’яни

Контроль бур’янів на основі ШІ базується на комп’ютерному зорі та глибокому навчанні. Камери, встановлені на тракторах, обприскувачах або невеликих роботах, роблять знімки рослин, а моделі ШІ (часто згорткові нейронні мережі, CNN) навчаються розрізняти культури та бур’яни.

Наприклад, Carbon Robotics завантажує мільйони маркованих зображень бур’янів і культур для навчання CNN, яка працює на обладнанні LaserWeeder повністю автономно (без потреби в інтернеті). John Deere також використовує вбудований зір і CNN у своїх автономних тракторах і обприскувачах See & Spray для розпізнавання бур’янів у реальному часі. У наукових дослідженнях спеціалізовані моделі ШІ, такі як варіанти YOLO та візуальні трансформери, досягли точності понад 90% у виявленні видів бур’янів на полях.

В результаті сучасні системи зору можуть виявляти бур’яни з піксельною точністю. Вони працюють у реальному часі під час руху машини.

Наприклад, обприскувачі See & Spray від John Deere оснащені численними камерами та вбудованими процесорами, які сканують тисячі квадратних футів за секунду. Кожен кадр камери аналізується машинним навчанням, щоб визначити «культура чи бур’ян?», і якщо це бур’ян, система миттєво активує сопло для обробки цієї ділянки.

Фактично, ШІ перетворює трактор на дуже розумного робота, здатного розпізнавати навіть дрібні бур’яни з 2–3 листками на полі.

Методи видалення бур’янів за допомогою ШІ

Після ідентифікації бур’янів різні системи видаляють їх різними способами. Три основні підходи — це цільове обприскування, механічне видалення та лазерне або термічне знищення. Усі вони використовують ШІ для фокусування обробки лише на бур’янах.

• Точкове обприскування (Spot Sprayers): Ці системи встановлюють камери на обприскувальну штангу або мобільну платформу і розпилюють гербіцид лише на виявлені бур’яни. Наприклад, система John Deere See & Spray використовує камери на штанзі та ШІ, що дозволяє зменшити використання гербіцидів приблизно на 59%.
  
  Обприскувач сканує поле зі швидкістю до 15 миль на годину, і коли нейронна мережа на борту розпізнає бур’ян, вона активує індивідуальне сопло над цією рослиною. На відміну від цього, традиційне обприскування заливає все поле.
  
  Дослідження показують, що такі роботи для точкового обприскування можуть зменшити обсяг гербіцидів у 20 разів і скоротити використання хімікатів до 95%. Швейцарська компанія Ecorobotix також пропонує ультраточний обприскувач, який за допомогою ШІ розрізняє бур’яни від культур і обробляє лише небажані рослини.
  
  На практиці ці обприскувачі заощадили мільйони галонів хімікатів — John Deere повідомляє, що See & Spray зекономив близько 8 мільйонів галонів гербіцидів на площі понад мільйон акрів у 2024 році.

• Механічні прополювачі: Деякі автономні роботи використовують фізичні інструменти замість розпилення. Наприклад, робот Element від Aigen (підтриманий провідними технологічними компаніями) поєднує камери та ШІ з механічною «мотикою», яка зрізає бур’яни біля кореня.
  
  Поки робот рухається між рядами культур, його алгоритми керують гострим лезом, щоб зрізати виявлені бур’яни. Оскільки це контактний метод, культури залишаються неушкодженими. Element працює на сонячній та вітровій енергії і призначений для безперервного прополювання без хімікатів.
  
  Подібним чином стартапи FarmWise і Verdant Robotics створили культиватори з керуванням ШІ. Наприклад, робот Verdant «Sharpshooter» використовує комп’ютерний зір, щоб розпилювати мінімальну дозу гербіциду лише на кожен бур’ян, скорочуючи використання хімікатів приблизно на 96%. Механічні методи особливо перспективні для органічних або спеціалізованих культур, де застосування гербіцидів є проблематичним.

• Лазерне та термічне прополювання: Дуже новий метод використовує потужні лазери або теплові промені для знищення бур’янів. Carbon Robotics (США) розробила LaserWeeder G2 — машину, що тягнеться трактором і оснащена кількома лазерами потужністю 240 ватів та камерами.
  
  Її система зору (на основі нейронних мереж) сканує рослини і потім точно випалює лазерами центральні тканини бур’яну. Цей підхід не використовує хімікати і є надзвичайно точним: Carbon Robotics заявляє про субміліметрову точність і здатність обробляти мільйони зображень на годину.
  
  (Подібна британська система Map & Zap також використовує лазери з ефективністю понад 90%.) Інший термічний варіант — опалювання; деякі машини застосовують спрямоване тепло для в’янення бур’янів.
  У всіх цих лазерних і термічних системах критично важливий ШІ-зір — без нього потужний промінь знищував би все навколо.

Ці різні методи прополювання також можна комбінувати. Наприклад, Університет Гуелфа створив сканер на тракторі, який картографує щільність бур’янів на полях з лімською квасолею.

Фермери можуть застосовувати гербіциди лише на позначені ділянки. У майбутньому ми можемо побачити інтегровані системи: робот може використовувати ШІ-зір, щоб вирішувати, чи обприскувати, зрізати або спалювати конкретний бур’ян залежно від типу культури та умов.

Приклади з реального життя

Сучасні технології видалення бур’янів на основі ШІ вже використовуються на фермах по всьому світу. Ось кілька прикладів:

• John Deere See & Spray: Ця провідна в галузі система широко застосовується у великих зернових господарствах. У випробуваннях 2024 року обприскувачі See & Spray обробили понад 1 мільйон акрів і зекономили близько 8 мільйонів галонів гербіцидів.
  
  Компанія повідомляє про середнє скорочення використання гербіцидів приблизно на 59% на полях з кукурудзою, соєю та бавовною. Фермери відзначають значну економію: один фермер із Канзасу заявив, що знизив витрати на гербіциди на дві третини завдяки цій системі.
  
  Технічно See & Spray використовує камери на штангах і вбудовані нейронні мережі для визначення «бур’ян чи ні». Якщо виявляється бур’ян, машина активує індивідуальне сопло, забезпечуючи точкове нанесення.

• Carbon Robotics LaserWeeder: Засновник Пол Майкселл (колишній інженер Uber) роками розробляв лазерний прополювач на основі ШІ. Його LaserWeeder G2 використовує навчений CNN для пошуку бур’янів і швидко знищує їх лазерними імпульсами.
  
  Система працює повністю автономно на машині без доступу до хмари. Carbon Robotics підкреслює ефективність: їхні лазери можуть знищувати бур’яни «розміром із кінчик ручки» до того, як вони почнуть конкурувати з культурами.
  
  На практиці LaserWeeder (причіпний до трактора) може працювати вдень і вночі, обробляючи великі площі. Він оснащений кількома камерами та графічними процесорами на кожному модулі і працює з субміліметровою точністю.
  
  Ця точність означає, що культури практично не пошкоджуються, і додаткове розпушування ґрунту не потрібне.

• Ecorobotix ARA Sprayer: Швейцарська компанія Ecorobotix виробляє сонячний високоточний обприскувач ARA. Її система «Plant-by-Plant™» використовує глибоке навчання для швидкого виявлення бур’янів.
  
  Ecorobotix заявляє про до 95% зниження використання хімікатів, оскільки обробляє лише бур’яни. Тести показують, що ШІ може розпізнавати види бур’янів з точністю до субсантиметра під час руху машини, приймаючи рішення приблизно за 250 мілісекунд на рослину.
  
  Компанія орієнтується на високовартісні овочеві та спеціалізовані культури, де економія хімікатів і праці є критичною.

• Verdant Robotics – Sharpshooter: Стартап Verdant Robotics створив Sharpshooter — робота, який використовує комп’ютерний зір для виявлення бур’янів і розпилює мінімальну дозу гербіциду на кожен із них.
  
  У випробуваннях Verdant повідомила, що Sharpshooter може скоротити використання гербіцидів на 96% і знизити витрати на прополювання більш ніж на 50% порівняно з традиційними методами.
  
  Це ще один приклад технології точкового обприскування, що працює завдяки ШІ, де система зору виконує роботу цілої бригади обприскувачів.

• Робот для виявлення бур’янів Університету Гуелфа: Дослідники під керівництвом д-ра Медхата Мусси розробили прототип системи для органічних ферм лімської квасолі. Камера ШІ, встановлена на тракторі, сканує поле і створює карту щільності бур’янів наприклад, амброзії.
  
  Алгоритми об’єднують багато зображень, розрізняючи лімську квасолю від бур’янів, щоб фермер точно знав, які ділянки потребують уваги.
  
  Цей підхід доповнює ручний огляд: він економить час, зменшує пропущені ділянки і допомагає точно застосовувати гербіциди. На зображенні нижче показано їхню автономну машину на полі.

• Інші інновації: Aigen (США) розробляє повністю автономного колісного робота Element, який патрулює поля, працює на сонячній енергії і фізично викорінює бур’яни за допомогою керованих камерою лез.
  
  FarmWise (США) створила роботи Vulcan та Titan, які використовують власні алгоритми машинного навчання для ідентифікації та механічного видалення бур’янів між рядами овочевих культур.
  
  Розширення Пенсільванського університету та інші повідомляють про тракторні «розумні культиватори» (Robovator від VisionWeeding, Robocrop від Garford), які використовують машинний зір для точного керування інструментами культивації.
  
  Навіть безпілотники з мультиспектральними камерами та алгоритмами ШІ можуть виявляти ділянки з бур’янами з повітря, допомагаючи планувати обробку.
  
  Отже, незалежно від розміру ферми, роботи на основі ШІ для прополювання з’являються у багатьох формах.

Переваги: ефективність, прибутковість і сталий розвиток

Контроль бур’янів за допомогою ШІ має очевидні переваги:

• Вражаюча економія хімікатів: Обприскуючи лише бур’яни, ці системи суттєво знижують обсяг гербіцидів. Наприклад, John Deere повідомляє про мільйони галонів заощаджених хімікатів — приблизно 12 олімпійських басейнів лише на 1 мільйоні акрів.
  
  Дослідження показують середню економію від 60 до 76% гербіцидів на тестових полях. Менше хімікатів — це вигідно для фермерів і безпечно для довкілля.

• Вищі врожаї та здоров’я культур: Раннє і повне видалення бур’янів допомагає культурам краще розвиватися. Системи ШІ можуть усувати дрібні бур’яни, які люди можуть пропустити, перш ніж вони почнуть забирати ресурси.
  
  Фермери, які використовують роботи для прополювання на основі ШІ, часто відзначають здоровіші, більш однорідні культури та вищу якість врожаю. Оскільки ШІ видаляє бур’яни безпосередньо в зоні росту, це також знижує майбутній тиск бур’янів на поля.

• Заощадження праці та часу: Прополювання традиційно є трудомістким процесом (вручну або з обережним керуванням трактором). Роботи на основі ШІ виконують цю роботу автоматично, звільняючи час людей.
  
  Наприклад, точні роботи можуть зменшити потребу в ручних прополювачах до 37% у складних умовах рядкових культур. Один фермер зазначив, що використання See & Spray дозволило навіть новачку працювати на рівні досвідченого комбайнера завдяки допомозі ШІ.

• Екологічні та безпекові переваги: Менше гербіцидів означає менше забруднення води та ґрунту. Цільові методи також зменшують кількість проходів по полю (знижуючи витрати палива) і часто виключають потребу в розпушуванні ґрунту (що запобігає ерозії).
  
  Консалтингова компанія McKinsey відзначає «потрійний виграш» від такої автоматизації: вища продуктивність, краща безпека на фермі (менше людей, що працюють з хімікатами) і прогрес у досягненні цілей сталого розвитку.

• Економічна ефективність: Усі ці фактори призводять до зниження витрат. Окрім зменшення гербіцидів, фермери економлять на часі роботи техніки та наймі працівників.
  
  John Deere та партнери виявили, що хоча точні обприскувачі коштують дорожче спочатку, окупність інвестицій може настати вже за 1–3 роки завдяки економії ресурсів. Багато фермерів у випробуваннях знизили витрати на контроль бур’янів на акр удвічі або більше, повністю перейшовши на систему ШІ.

Виклики та впровадження

Незважаючи на перспективи, прополювання за допомогою ШІ все ще нове і не є повсюдним. Станом на початок 2024 року лише близько 27% фермерських господарств у США використовують будь-які технології точного землеробства для таких завдань, як контроль бур’янів.

Перешкоди включають високу вартість обладнання, потребу у спеціалізованих знаннях та занепокоєння щодо власності на дані і їх надійності. Деякі фермери також побоюються складності технологій або мають поля з бур’янами, які надто схожі на культури для легкого розпізнавання за допомогою зору.

Наприклад, фермер із Північної Дакоти зізнався, що спочатку скептично ставився до See & Spray, але після використання став прихильником, оскільки система виявилася простою та ефективною.

Однак експерти галузі очікують швидкого зростання. Зростання цін на ресурси (добрива, гербіциди, працю) та екологічний тиск спонукають більше фермерів переходити на точні методи.

Великі виробники сільгосптехніки, як Deere, впроваджують «набори автономності» і активно просувають можливості ШІ, а нові стартапи приваблюють великих інвесторів агросектору.

Програмне забезпечення також стає простішим — деякі фермери навіть експериментують із генеративними інструментами ШІ (наприклад, ChatGPT) для планування польових операцій і аналізу даних.

З часом, зі зниженням вартості та покращенням інтерфейсів, інструменти контролю бур’янів на основі ШІ мають поширитися від великих ферм до середніх і дрібних господарств.

Перспективи на майбутнє

Управління бур’янами за допомогою ШІ все ще розвивається, але тенденції очевидні: розумніші машини дедалі частіше виконуватимуть рутинні завдання прополювання.

Майбутні системи можуть поєднувати різні режими сенсорів (RGB-камери, мультиспектральне зображення, навіть сенсори запаху рослин) і динамічно вирішувати, чи обприскувати, зрізати чи спалювати кожен бур’ян.

Вони, ймовірно, інтегруватимуться з GPS та картографічними інструментами ферми, щоб рішення зберігалися і використовувалися надалі.

Як сказав один експерт, фермери хочуть «інструмент, який робить усе» — ШІ рухається до цієї мети, надаючи машинам гнучкість для вирішення проблем безпосередньо в полі.

Важливо, що ці рішення на основі ШІ відповідають глобальним потребам сталого сільського господарства. Споживачі та регулятори дедалі більше вимагають зниження залишків хімікатів і екологічно безпечного землеробства.

>>> Можливо, ви не знали: Як передбачати шкідників і хвороби рослин за допомогою штучного інтелекту

Зменшуючи використання гербіцидів на 80–95% у деяких випадках, роботи на основі ШІ безпосередньо підтримують ці цілі. Вони також допомагають фермам адаптуватися до нестачі робочої сили та кліматичних викликів.

Отже, контроль і видалення бур’янів за допомогою ШІ стає технологією, що змінює правила гри у сільському господарстві — такою, що обіцяє зробити землеробство чистішим, безпечнішим і продуктивнішим у майбутньому.