Ứng dụng AI để nhận diện cỏ dại và loại bỏ tự động
Cỏ dại vẫn là thách thức dai dẳng trong nông nghiệp, cạnh tranh với cây trồng về ánh sáng mặt trời, nước và dinh dưỡng. Ngày nay, mục tiêu không chỉ là “diệt cỏ dại” bằng máy kéo hay hóa chất, mà là loại bỏ chúng một cách chọn lọc mà không làm hại cây trồng. Với sức mạnh của trí tuệ nhân tạo (AI) và robot, các máy móc hiện đại có thể phân biệt cây trồng và cỏ dại qua thị giác máy tính, sau đó tự động loại bỏ cỏ dại bằng phun thuốc chính xác, dụng cụ cơ khí, laser hoặc nhiệt. Sáng tạo này giúp giảm chi phí, hạn chế sử dụng hóa chất và hỗ trợ nông nghiệp bền vững.
Cỏ dại là một vấn đề dai dẳng trong nông nghiệp vì chúng cạnh tranh với cây trồng về ánh sáng mặt trời, nước và dinh dưỡng. Thách thức hiện nay không chỉ đơn giản là "diệt cỏ dại" (máy kéo và thuốc diệt cỏ có thể làm được điều đó) mà là làm điều đó một cách chọn lọc – loại bỏ cỏ dại mà không làm hại cây trồng.
Công nghệ AI và robot tiên tiến hiện cung cấp những công cụ mạnh mẽ mới cho việc này. Bằng cách sử dụng thị giác máy tính và học máy, các máy móc nông nghiệp hiện đại có thể "nhìn thấy" từng cây riêng lẻ, phân biệt cây trồng với cỏ dại, rồi tự động loại bỏ hoặc tiêu diệt cỏ dại.
Cách AI nhận diện cỏ dại
Kiểm soát cỏ dại bằng AI dựa trên thị giác máy tính và học sâu. Các camera gắn trên máy kéo, máy phun hoặc robot nhỏ chụp ảnh cây trồng, và các mô hình AI (thường là mạng nơ-ron tích chập, CNN) được huấn luyện để phân biệt cây trồng với cỏ dại.
Carbon Robotics
John Deere
Kết quả là các hệ thống thị giác hiện đại có thể phát hiện cỏ dại với độ chính xác từng điểm ảnh. Chúng hoạt động theo thời gian thực khi máy di chuyển.
Các cần phun See & Spray của John Deere mang nhiều camera và bộ xử lý onboard quét hàng nghìn mét vuông mỗi giây. Mỗi khung hình nhỏ được phân tích bằng học máy để quyết định "cây trồng hay cỏ dại?", nếu là cỏ dại, hệ thống lập tức kích hoạt vòi phun tại vị trí đó.
— Tài liệu kỹ thuật John Deere
Thực tế, AI biến máy kéo thành robot rất thông minh, có khả năng nhận diện cả những cây cỏ dại nhỏ 2–3 lá trên đồng.
Các phương pháp loại bỏ cỏ dại bằng AI
Khi cỏ dại được nhận diện, các hệ thống khác nhau sẽ loại bỏ chúng theo các cách khác nhau. Ba phương pháp chính là phun thuốc chính xác, cơ giới hóa, và loại bỏ bằng laser hoặc nhiệt. Tất cả đều sử dụng thị giác AI để tập trung xử lý chỉ trên cỏ dại.
Phun thuốc chính xác (Spot Sprayers)
Hệ thống này gắn camera trên cần phun hoặc nền tảng di động và chỉ phun thuốc diệt cỏ lên các vị trí phát hiện cỏ dại. Ví dụ, hệ thống See & Spray của John Deere sử dụng camera gắn trên cần phun và AI để giảm trung bình khoảng 59% lượng thuốc diệt cỏ.
Hoạt động tốc độ cao
Quét đồng ruộng với tốc độ lên đến 15 mph
- Xử lý mạng nơ-ron theo thời gian thực
- Kích hoạt vòi phun riêng biệt
Giảm hóa chất
Tiết kiệm thuốc diệt cỏ đáng kể
- Giảm 20 lần về thể tích thuốc
- Giảm đến 95% lượng hóa chất sử dụng
Robot cơ giới
Một số robot tự hành sử dụng dụng cụ vật lý thay vì phun thuốc. Ví dụ, robot Element của Aigen (được tài trợ bởi các công ty công nghệ lớn) kết hợp camera và AI với một "cái cuốc" cơ học để cắt cỏ dại tận gốc.
- Hoạt động bằng năng lượng mặt trời/gió
- Liên tục làm sạch cỏ dại mà không dùng hóa chất
- Phương pháp tiếp xúc không làm tổn hại cây trồng
- Phù hợp với nông nghiệp hữu cơ
Tương tự, các startup như FarmWise và Verdant Robotics đã phát triển các máy cày hướng dẫn bằng AI. Robot "Sharpshooter" của Verdant, ví dụ, sử dụng thị giác máy tính để phun một lượng nhỏ thuốc diệt cỏ chỉ lên từng cây cỏ dại, giảm lượng thuốc sử dụng khoảng 96%. Phương pháp cơ giới đặc biệt hứa hẹn cho các loại cây hữu cơ hoặc cây đặc sản, nơi việc dùng thuốc hóa học là vấn đề.
Loại bỏ cỏ dại bằng laser và nhiệt
Một phương pháp rất mới sử dụng laser công suất cao hoặc tia nhiệt để tiêu diệt cỏ dại. Carbon Robotics (Mỹ) đã phát triển LaserWeeder G2, một máy kéo kéo với nhiều laser 240 watt và camera.
Hệ thống thị giác của nó (dựa trên mạng nơ-ron) quét cây rồi bắn laser để đốt chính xác mô lõi của cỏ dại. Phương pháp này không dùng hóa chất và cực kỳ chính xác: Carbon Robotics tuyên bố độ chính xác dưới milimét và có thể xử lý hàng triệu hình ảnh mỗi giờ.
Các phương pháp loại bỏ cỏ dại khác nhau này cũng có thể được kết hợp. Ví dụ, Đại học Guelph đã xây dựng một máy quét AI gắn trên máy kéo để lập bản đồ mật độ cỏ dại trong các cánh đồng đậu lima.
Người nông dân có thể chỉ phun thuốc lên các vùng được bản đồ hóa. Trong tương lai, chúng ta có thể thấy các hệ thống tích hợp: một robot có thể dùng thị giác AI để quyết định có nên phun, cắt hay đốt một cây cỏ dại tùy theo loại cây trồng và điều kiện.
Các nghiên cứu thực tế
Công nghệ loại bỏ cỏ dại bằng AI hiện đã được ứng dụng trên các trang trại toàn cầu. Dưới đây là một vài ví dụ:
John Deere See & Spray
Hệ thống dẫn đầu ngành này đã được áp dụng rộng rãi trong nông nghiệp quy mô lớn. Trong các thử nghiệm năm 2024, máy phun See & Spray đã xử lý hơn 1 triệu mẫu Anh và tiết kiệm khoảng 8 triệu gallon thuốc diệt cỏ.
Tôi đã giảm chi phí thuốc diệt cỏ đến hai phần ba khi sử dụng hệ thống này.
— Người trồng ở Kansas
Về mặt kỹ thuật, See & Spray sử dụng camera gắn trên cần phun và mạng nơ-ron onboard để quyết định "cỏ dại hay không." Nếu phát hiện cỏ dại, máy sẽ kích hoạt vòi phun riêng biệt, cho phép phun chính xác từng điểm.
Carbon Robotics LaserWeeder
Người sáng lập Paul Mikesell (cựu kỹ sư Uber) đã dành nhiều năm phát triển robot diệt cỏ bằng laser chạy bằng AI. LaserWeeder G2 của ông sử dụng CNN được huấn luyện để tìm cỏ dại rồi bắn laser nhanh vào chúng.
- Hoạt động hoàn toàn trên máy, không cần kết nối đám mây
- Có thể loại bỏ cỏ dại "nhỏ như đầu bút"
- Hoạt động ngày đêm với quy mô lớn
- Độ chính xác dưới milimét
Thực tế, các đơn vị LaserWeeder (kéo bởi máy kéo) có thể hoạt động ngày đêm và làm việc trên diện rộng. Chúng có nhiều camera và GPU mỗi module, hoạt động với độ chính xác dưới milimét. Độ chính xác này đảm bảo gần như không làm hại cây trồng và không cần cày xới thêm đất.
Ecorobotix ARA Sprayer
Công ty Thụy Sĩ Ecorobotix sản xuất máy phun thuốc chính xác chạy bằng năng lượng mặt trời gọi là ARA. Hệ thống thị giác "Plant-by-Plant™" sử dụng học sâu để phát hiện cỏ dại với tốc độ cao.
Giảm hóa chất
Giảm đến 95% lượng hóa chất sử dụng
Thời gian phản hồi
Khoảng 250 mili giây cho mỗi quyết định cây
Thử nghiệm cho thấy AI có thể nhận diện loài cỏ dại với độ chính xác dưới centimet trong khi máy di chuyển, đưa ra quyết định trong khoảng 250 mili giây mỗi cây. Công ty tiếp thị sản phẩm này cho các loại rau giá trị cao và cây đặc sản, nơi tiết kiệm hóa chất và nhân công rất quan trọng.
Verdant Robotics – Sharpshooter
Một startup tên Verdant Robotics đã phát triển Sharpshooter, robot sử dụng thị giác máy tính để phát hiện cỏ dại rồi phun một lượng nhỏ thuốc lên từng cây.
Phun thuốc thông thường
- Sử dụng nhiều thuốc diệt cỏ
- Chi phí cao hơn
- Tác động môi trường lớn
Chính xác hướng dẫn bởi AI
- Giảm 96% lượng thuốc diệt cỏ
- Tiết kiệm chi phí trên 50%
- Tác động môi trường tối thiểu
Đây là một ví dụ khác về công nghệ phun thuốc điểm được hỗ trợ bởi AI, trong đó hệ thống thị giác thay thế cả một đội phun thuốc.
Nghiên cứu Đại học Guelph
Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Medhat Moussa dẫn đầu đã phát triển hệ thống nguyên mẫu cho các trang trại đậu lima hữu cơ. Một bộ camera AI gắn trên máy kéo quét đồng ruộng và tạo ra bản đồ mật độ cỏ dại của cây pigweed (ví dụ).
Thu thập hình ảnh
Bộ camera AI quét đồng ruộng
Phân tích AI
Thuật toán phân biệt đậu lima với cỏ dại
Lập bản đồ mật độ
Tạo bản đồ mật độ cỏ dại chính xác
Phương pháp này hỗ trợ việc khảo sát thủ công: tiết kiệm thời gian, giảm bỏ sót vùng cỏ dại và hướng dẫn phun thuốc chính xác.
Các đổi mới khác
- Aigen (Mỹ): Phát triển robot bánh xe tự hành hoàn toàn, Element, tuần tra đồng ruộng, sử dụng năng lượng mặt trời và cắt cỏ dại bằng lưỡi dao hướng dẫn bởi camera.
- FarmWise (Mỹ): Tạo ra robot Vulcan và Titan sử dụng quy trình học máy độc quyền để nhận diện và loại bỏ cỏ dại cơ giới trong hàng rau.
- Máy cày thông minh: Penn State Extension báo cáo về các "máy cày thông minh" kéo bằng máy kéo (Robovator của VisionWeeding, Robocrop của Garford) sử dụng thị giác máy để điều khiển dụng cụ cày chính xác.
- Drone bay: Thậm chí các drone bay trang bị camera đa phổ và thuật toán AI có thể phát hiện các vùng cỏ dại từ trên cao, hỗ trợ lập kế hoạch xử lý.
Tóm lại, dù là trang trại lớn hay mảnh đất nhỏ đặc sản, các thiết bị diệt cỏ dại dùng AI đang xuất hiện dưới nhiều hình thức.
Lợi ích: Hiệu quả, Sinh lời và Bền vững
Kiểm soát cỏ dại bằng AI mang lại nhiều lợi thế rõ ràng:
Tiết kiệm hóa chất đáng kể
Bằng cách chỉ phun thuốc lên cỏ dại, các hệ thống này giảm đáng kể lượng thuốc diệt cỏ.
- John Deere báo cáo tiết kiệm hàng triệu gallon
- Tương đương khoảng 12 hồ bơi Olympic trên chỉ 1 triệu mẫu Anh
- Tiết kiệm trung bình 60–76% lượng thuốc sử dụng
Năng suất và sức khỏe cây trồng cao hơn
Loại bỏ cỏ dại sớm và triệt để giúp cây trồng phát triển tốt hơn.
- Loại bỏ cỏ dại nhỏ mà con người có thể bỏ sót
- Cây trồng khỏe mạnh, đồng đều hơn
- Giảm áp lực hạt cỏ dại trong tương lai
Tiết kiệm nhân công và thời gian
Robot AI tự động làm việc loại bỏ cỏ dại, giải phóng thời gian cho con người.
- Giảm đến 37% số nhân công làm cỏ thủ công
- Người mới vận hành đạt hiệu quả như chuyên gia
- Loại bỏ cỏ chính xác tự động
Lợi ích môi trường và an toàn
Giảm thuốc diệt cỏ đồng nghĩa giảm ô nhiễm nước và đất.
- Giảm số lần đi qua đồng (tiết kiệm nhiên liệu)
- Không cần cày xới trong nhiều trường hợp (ngăn xói mòn đất)
- An toàn trang trại hơn (ít người tiếp xúc hóa chất)
Phân tích hiệu quả chi phí
| Yếu tố chi phí | Phương pháp truyền thống | Loại bỏ cỏ bằng AI | Tiết kiệm |
|---|---|---|---|
| Chi phí thuốc diệt cỏ | Sử dụng lượng lớn | Phun chính xác từng điểm | Giảm 60-95% |
| Chi phí nhân công | Đội làm cỏ thủ công | Vận hành tự động | Giảm 37% |
| Thời gian thiết bị | Đi qua đồng nhiều lần | Đi qua một lần chính xác | Tiết kiệm thời gian trên 50% |
| Thời gian hoàn vốn | Không áp dụng | Chi phí đầu tư cao hơn | Hoàn vốn trong 1-3 năm |
Tất cả những điều này chuyển thành tiết kiệm chi phí. Ngoài giảm thuốc diệt cỏ, người nông dân còn tiết kiệm thời gian thiết bị và nhân công thuê ngoài. John Deere và các đối tác nhận thấy dù máy phun chính xác có giá cao hơn ban đầu, nhưng thời gian hoàn vốn chỉ từ 1–3 năm nhờ tiết kiệm đầu vào. Nhiều người trồng trong thử nghiệm đã giảm chi phí kiểm soát cỏ dại trên mỗi mẫu Anh đến một nửa hoặc hơn khi sử dụng đầy đủ hệ thống AI.
Thách thức và việc áp dụng
Mặc dù đầy hứa hẹn, kiểm soát cỏ dại bằng AI vẫn còn mới và chưa phổ biến rộng rãi. Tính đến đầu năm 2024, chỉ khoảng 27% trang trại ở Mỹ sử dụng bất kỳ công nghệ nông nghiệp chính xác nào cho các nhiệm vụ như kiểm soát cỏ dại.
Rào cản hiện tại
- Chi phí thiết bị cao
- Cần kiến thức chuyên môn
- Lo ngại về quyền sở hữu và độ tin cậy dữ liệu
- Phức tạp về công nghệ
- Các đồng ruộng có cỏ dại rất giống cây trồng
Tôi từng nghi ngờ về See & Spray, nhưng sau khi dùng tôi đã tin vì nó dễ sử dụng và hiệu quả.
— Người nông dân Bắc Dakota
Các yếu tố thúc đẩy tăng trưởng
Tuy nhiên, các chuyên gia ngành dự đoán tăng trưởng nhanh. Giá đầu vào tăng (phân bón, thuốc diệt cỏ, nhân công) và áp lực môi trường đang thúc đẩy nhiều nông dân chuyển sang phương pháp chính xác.
Nhà sản xuất thiết bị
Đổi mới từ startup
Tích hợp AI
Triển vọng tương lai
Quản lý cỏ dại bằng AI vẫn đang phát triển, nhưng xu hướng rõ ràng là: máy móc thông minh hơn sẽ ngày càng đảm nhận các nhiệm vụ làm cỏ thường xuyên.
Cảm biến đa phương thức
Kết hợp camera RGB, hình ảnh đa phổ, thậm chí cảm biến mùi cây trồng
Ra quyết định động
Quyết định phun, cắt hay đốt từng cây cỏ dại một cách linh hoạt
Hệ thống tích hợp
Tích hợp với GPS và công cụ bản đồ trang trại để học hỏi liên tục
Nông dân muốn "một công cụ làm được tất cả" – AI đang tiến tới tầm nhìn đó bằng cách trao cho máy móc khả năng giải quyết các vấn đề ngay tại chỗ trên đồng ruộng.
— Chuyên gia công nghệ nông nghiệp
Tác động bền vững toàn cầu
Điều quan trọng, các giải pháp AI này phù hợp với nhu cầu toàn cầu về nông nghiệp bền vững. Người tiêu dùng và cơ quan quản lý ngày càng yêu cầu giảm dư lượng hóa chất và nông nghiệp thân thiện môi trường.
Giảm hóa chất
Giảm 80–95% lượng thuốc diệt cỏ trong một số trường hợp
Giải pháp nhân công
Giúp trang trại thích nghi với tình trạng thiếu hụt lao động
Thích ứng với khí hậu
Hỗ trợ trang trại đối phó với áp lực khí hậu
