利用人工智能自動識別及清除雜草的應用
雜草在農業中一直是持續的挑戰，因為它們與作物爭奪陽光、水分和養分。現今的目標不僅是用拖拉機或化學藥劑「殺死雜草」，而是選擇性地移除雜草而不傷害作物。憑藉人工智能（AI）和機械人的力量，現代機器能透過電腦視覺區分作物與雜草，然後利用精準噴灑、機械工具、激光或熱能自動消除雜草。這項創新降低成本，減少化學藥劑使用，並支持可持續農業。
雜草是農業中一個持續存在的問題，因為它們與作物爭奪陽光、水分和養分。現今的挑戰不僅是「殺死雜草」（拖拉機和除草劑可以做到），而是要選擇性地移除雜草——在不傷害作物的情況下清除雜草。
尖端的人工智能和機械人技術現在提供了強大的新工具。通過使用電腦視覺和機器學習，現代農機能夠「看見」每一株植物，分辨作物與雜草，然後自動移除或消滅雜草。
人工智能如何識別雜草
人工智能驅動的雜草控制依賴於電腦視覺和深度學習。安裝在拖拉機、噴灑機或小型機械人上的攝像頭捕捉植物圖像，AI模型（通常是卷積神經網絡，CNN）被訓練來區分作物和雜草。
Carbon Robotics
John Deere
結果是現代視覺系統能以像素級精度標記雜草。它們隨著機器移動實時工作。
John Deere的See & Spray噴灑臂配備多個攝像頭和內置處理器，每秒掃描數千平方英尺。每個微小的攝像頭畫面由機器學習分析以判斷「作物還是雜草？」，如果是雜草，系統會立即啟動該位置的噴嘴。
— John Deere 技術文檔
實際上，人工智能將拖拉機變成了一個非常智能的機器人，能夠識別田間甚至只有2至3片葉子的細小雜草。
人工智能驅動的雜草清除方法
一旦識別出雜草，不同系統會用不同方式清除。三種主要方法是精準噴灑、機械除草和激光或熱能除草。所有方法都利用AI視覺只針對雜草進行處理。
精準噴灑（點狀噴灑器）
這些系統在噴灑臂或移動平台上安裝攝像頭，只對檢測到的雜草噴灑除草劑。例如，John Deere的See & Spray系統使用臂架攝像頭和AI，平均減少約59%的除草劑使用量。
高速運作
以最高每小時15英里的速度掃描田地
- 實時神經網絡處理
- 單個噴嘴獨立啟動
化學藥劑減量
顯著節省除草劑
- 除草劑用量減少20倍
- 化學藥劑使用量最高減少95%
機械除草機
一些自主機械人使用物理工具代替噴灑。例如，Aigen的Element機械人（由大型科技公司資助）結合攝像頭和AI，配備機械「鋤頭」從根部切除雜草。
- 太陽能/風能驅動
- 持續除草無需化學藥劑
- 接觸式方法不傷害作物
- 非常適合有機農業
類似地，初創公司如FarmWise和Verdant Robotics打造了AI引導的耕耘機。Verdant的「Sharpshooter」機械人利用電腦視覺只對每株雜草噴灑微量除草劑，減少約96%的投入。機械方法對於有機或特殊作物尤其有前景，因為這些作物對除草劑使用非常敏感。
激光與熱能除草
一種非常新穎的方法是使用高功率激光或熱束殺死雜草。美國Carbon Robotics開發了LaserWeeder G2，這是一台拖拉機牽引的機器，配備多個240瓦激光器和攝像頭。
其視覺系統（由神經網絡驅動）掃描植物，然後發射激光精確燒毀雜草的核心組織。這種方法無需化學藥劑且極為精確：Carbon Robotics聲稱其定位精度達亞毫米級，且每小時可處理數百萬張圖像。
這些不同的除草方法也可以結合使用。例如，圭爾夫大學打造了一台拖拉機安裝的AI掃描器，能夠繪製利馬豆田中的雜草密度圖。
農民可以只在標記的區域施用除草劑。未來我們可能會看到整合系統：機械人可能會根據作物類型和條件，利用AI視覺決定是否噴灑、切割或燒毀特定雜草。
實際案例研究
現代AI除草技術已在全球農場投入使用。以下是幾個例子：
John Deere See & Spray
這個行業領先的系統已被大規模糧食種植廣泛採用。2024年的試驗中，See & Spray噴灑機處理了超過一百萬英畝土地，節省了約八百萬加侖除草劑。
我使用該系統後，除草劑成本降低了三分之二。
— 堪薩斯州種植者
技術上，See & Spray使用臂架攝像頭和內置神經網絡判斷「是否為雜草」。若檢測到雜草，機器會觸發單個噴嘴，實現點狀精準噴灑。
Carbon Robotics LaserWeeder
創辦人Paul Mikesell（前Uber工程師）花多年時間開發AI驅動的激光除草機。其LaserWeeder G2使用訓練好的CNN來識別雜草，然後用快速激光脈衝射擊它們。
- 完全在機器上運行，無需雲端連接
- 能消除「如筆尖般小」的雜草
- 可日夜大規模運作
- 亞毫米級精度
實際上，LaserWeeder裝置（由拖拉機牽引）可日夜運行並大規模作業。每個模組配備多個攝像頭和GPU，運作精度達亞毫米級。這種精準意味著幾乎不傷害作物，也不需額外耕作。
Ecorobotix ARA 噴灑機
瑞士Ecorobotix製造一款太陽能驅動的高精度噴灑機ARA。其「Plant-by-Plant™」視覺系統利用深度學習高速識別雜草。
化學藥劑減量
化學藥劑使用量最高減少95%
反應時間
每株植物決策約250毫秒
測試顯示，該AI能在機器移動時以亞厘米精度識別雜草物種，並在約250毫秒內做出決策。該公司將其推廣至高價值蔬菜和特殊作物，這些作物對節省化學藥劑和人力需求尤為重要。
Verdant Robotics – Sharpshooter
初創公司Verdant Robotics打造了Sharpshooter機械人，利用電腦視覺標記雜草，然後對每株雜草噴灑微量除草劑。
傳統噴灑
- 除草劑使用量高
- 成本較高
- 環境影響大
AI引導精準噴灑
- 除草劑減少96%
- 成本節省超過50%
- 環境影響極小
這是另一個由AI驅動的點狀噴灑技術範例，視覺系統完成了整個噴灑團隊的工作。
圭爾夫大學研究
由Medhat Moussa博士領導的研究團隊開發了一套有機利馬豆農場的原型系統。安裝在拖拉機上的AI攝像頭裝置掃描田地，生成豬殃殃等雜草的密度分佈圖。
圖像捕捉
AI攝像頭裝置掃描田地
AI分析
算法區分利馬豆與雜草
密度繪製
生成精確的雜草密度圖
這種方法輔助人工巡查：節省時間，減少漏查區域，並指導精準施藥。
其他創新
- Aigen（美國）：開發一款完全自主的輪式機械人Element，可巡視田地，利用太陽能驅動，並用攝像頭引導的刀片物理拔除雜草。
- FarmWise（美國）：打造了Vulcan和Titan機械人，利用專有機器學習流程識別並機械除去蔬菜農場行間雜草。
- 智能耕耘機：賓州州立大學擴展報告了拖拉機牽引的「智能耕耘機」（VisionWeeding的Robovator，Garford的Robocrop），利用機器視覺精準引導耕耘工具。
- 空中無人機：配備多光譜攝像頭和AI算法的無人機能從空中識別雜草區域，協助規劃處理方案。
總之，無論是大型農場還是小型專業地塊，AI驅動的除草機正以多種形式出現。
優勢：效率、盈利與可持續性
人工智能除草帶來明顯優勢：
顯著節省化學藥劑
只對雜草噴灑，極大減少除草劑用量。
- John Deere報告節省數百萬加侖
- 相當於一百萬英畝土地約12個奧林匹克標準泳池容量
- 平均減少60–76%的除草劑使用
更高產量與作物健康
更早且更徹底地清除雜草，有助作物茁壯成長。
- 消除人力可能忽略的小雜草
- 作物更健康且均勻
- 減少未來雜草種子壓力
節省人力與時間
AI機械人自動完成除草工作，釋放人力。
- 最多減少37%人工除草需求
- 新手操作員表現可媲美專家
- 自動化精準除草
環境與安全效益
減少除草劑使用，降低水土污染。
- 減少田間作業次數（節省燃料）
- 多數情況下無需耕作（防止土壤侵蝕）
- 提升農場安全（減少人員接觸化學品）
成本效益分析
| 成本因素 | 傳統方法 | 人工智能除草 | 節省幅度 |
|---|---|---|---|
| 除草劑成本 | 大量噴灑 | 針對性噴灑 | 減少60-95% |
| 人力成本 | 人工除草團隊 | 自動化操作 | 減少37% |
| 設備使用時間 | 多次田間作業 | 一次精準作業 | 節省50%以上時間 |
| 投資回收期 | 不適用 | 前期成本較高 | 1-3年回本 |
這些都轉化為成本節省。除了減少除草劑，農民還節省了設備使用時間和雇工費用。John Deere及其合作夥伴發現，儘管精準噴灑設備前期成本較高，但由於投入節省，投資回收期僅需1至3年。許多試驗中的種植者在全面使用AI系統後，每英畝的除草成本降低了一半或更多。
挑戰與採用情況
儘管前景看好，AI除草仍屬新興技術，尚未普及。截至2024年初，約只有27%的美國農場使用任何精準農業技術來處理除草等任務。
當前障礙
- 設備成本高昂
- 需要專業知識
- 對數據所有權和可靠性的擔憂
- 技術複雜性問題
- 部分田地中雜草與作物外觀過於相似
我曾對See & Spray持懷疑態度，但使用後成為了信徒，因為它簡單且有效。
— 北達科他州農民
成長動力
然而，業界專家預計增長迅速。投入成本（肥料、除草劑、人力）上升及環境壓力推動更多農民採用精準方法。
設備製造商
初創創新
AI整合
未來展望
AI驅動的雜草管理仍在發展中，但趨勢明確：更智能的機器將越來越多地處理日常除草任務。
多模態感測
結合RGB攝像頭、多光譜成像，甚至植物氣味感測器
動態決策
動態決定是否對每株雜草噴灑、切割或燒毀
整合系統
與農場GPS和地圖工具整合，實現持續學習
農民希望「一個能做所有事的工具」——AI正朝這個方向發展，賦予機器在田間靈活解決問題的能力。
— 農業科技專家
全球可持續影響
關鍵是，這些AI解決方案符合全球對可持續農業的需求。消費者和監管機構越來越要求降低化學殘留和環保耕作。
化學藥劑減量
部分情況下除草劑減少80–95%
人力解決方案
幫助農場應對勞動力短缺
氣候適應
支持農場應對氣候壓力
