AI 應用於自動辨識與移除雜草
雜草在農業中持續造成挑戰，與作物爭奪陽光、水分與養分。如今的目標不僅是用拖拉機或化學藥劑「除草」，而是選擇性地移除雜草而不傷害作物。藉由人工智慧（AI）與機器人技術，現代機械能透過電腦視覺辨識作物與雜草，並利用精準噴灑、機械工具、雷射或熱能自動消除雜草。此創新降低成本、減少化學藥劑使用，並支持永續農業。
雜草是農業中一個持續存在的問題，因為它們與作物競爭陽光、水分和養分。現今的挑戰不只是「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，且不傷害作物。
尖端的 AI 與機器人技術現在提供了強大的新工具。透過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。
AI 如何辨識雜草
AI 驅動的除草依賴於電腦視覺與深度學習。安裝在拖拉機、噴霧器或小型機器人上的攝影機會拍攝植物影像，AI 模型（通常是卷積神經網路，CNN）經過訓練以區分作物與雜草。
Carbon Robotics
John Deere
結果是現代視覺系統能以像素級精度標記雜草。它們隨著機器移動即時運作。
John Deere 的 See & Spray 噴霧臂配備多台攝影機與內建處理器，每秒掃描數千平方英尺。每個微小的攝影機畫面由機器學習分析判斷「作物還是雜草？」，若是雜草，系統立即啟動該位置的噴嘴。
— John Deere 技術文件
實際上，AI 將拖拉機變成一台非常聰明的機器人，能辨識田間甚至只有 2–3 片葉子的細小雜草。
AI 驅動的除草方法
一旦辨識出雜草，不同系統會用不同方式移除。三大主要方法是精準噴灑、機械除草與雷射或熱能除草。這些方法皆利用 AI 視覺聚焦於僅雜草的處理。
精準噴灑（點狀噴霧器）
這些系統在噴霧臂或移動平台上安裝攝影機，僅對偵測到的雜草噴灑除草劑。例如 John Deere 的 See & Spray 系統，利用臂架攝影機與 AI，平均減少約 59% 除草劑使用量。
高速運作
以最高時速 15 英里掃描田地
- 即時神經網路處理
- 個別噴嘴啟動
化學藥劑減量
大幅節省除草劑
- 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
部分自主機器人使用物理工具代替噴灑。例如由大型科技公司資助的 Aigen 的 Element 機器人，結合攝影機與 AI，搭配機械「鋤頭」從根部切除雜草。
- 太陽能/風力驅動
- 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，像 FarmWise 和 Verdant Robotics 等新創公司打造了 AI 導引的耕耘機。Verdant 的「Sharpshooter」機器人利用電腦視覺只對每株雜草噴灑微量除草劑，減少約 96% 藥劑使用。機械方法對於有機或特殊作物尤其有前景，因為任何除草劑使用都可能成問題。
雷射與熱能除草
一種非常新穎的方法是使用高功率雷射或熱能束殺死雜草。美國 Carbon Robotics 開發了 LaserWeeder G2，這是一台由拖拉機牽引，配備多個 240 瓦雷射與攝影機的機器。
其視覺系統（由神經網路驅動）掃描植物，然後發射雷射精確燒毀雜草核心組織。此方法無化學藥劑且極為精準：Carbon Robotics 宣稱可達亞毫米級目標精度，且每小時可處理數百萬張影像。
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，能繪製利馬豆田的雜草密度圖。
農民可依此只在標記區域施用除草劑。未來可能出現整合系統：機器人可利用 AI 視覺根據作物種類與條件，動態決定是否噴灑、切除或燒毀特定雜草。
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
這套業界領先系統已廣泛應用於大規模穀物農業。2024 年的試驗中，See & Spray 噴霧器處理超過百萬英畝，節省約 800 萬加侖除草劑。
我使用這系統後，除草劑成本降低了三分之二。
— 堪薩斯州農民
技術上，See & Spray 利用臂架攝影機與內建神經網路判斷「是否為雜草」。若偵測到雜草，機器會啟動單一噴嘴，實現點狀精準施藥。
Carbon Robotics LaserWeeder
創辦人 Paul Mikesell（前 Uber 工程師）花多年時間開發 AI 驅動的雷射除草機。其 LaserWeeder G2 使用訓練好的 CNN 找出雜草，並以快速雷射脈衝射擊。
- 完全在機器上運行，無需雲端連線
- 能消除「如筆尖大小」的雜草
- 可日夜大規模運作
- 亞毫米級精準度
實際上，LaserWeeder 裝置（由拖拉機牽引）可日夜運作並大規模掃田。每個模組配備多台攝影機與 GPU，精準度達亞毫米級。此精度幾乎不傷害作物，也不需額外耕作。
Ecorobotix ARA 噴霧器
瑞士 Ecorobotix 製造一款太陽能驅動的高精度噴霧器 ARA。其「Plant-by-Plant™」視覺系統利用深度學習高速辨識雜草。
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 AI 能在機器移動時以亞公分精度辨識雜草種類，每株植物決策時間約 250 毫秒。該公司將其推廣給高價值蔬菜與特殊作物，強調節省化學藥劑與人力。
Verdant Robotics – Sharpshooter
新創公司 Verdant Robotics 打造了 Sharpshooter，一款利用電腦視覺標記雜草，並對每株噴灑微量除草劑的機器人。
傳統噴灑
- 除草劑使用量高
- 成本較高
- 環境影響大
AI 導引精準施藥
- 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 支援的點狀噴灑技術範例，視覺系統取代了整個噴霧團隊的工作。
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 攝影機裝置掃描田地，並產生豬殃殃等雜草的密度分布圖。
影像擷取
AI 攝影機裝置掃描田地
AI 分析
演算法區分利馬豆與雜草
密度繪圖
建立精確的雜草密度圖
此方法輔助人工巡田，節省時間、減少漏判區域，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器人 Element，能巡田，使用太陽能，並以攝影機導引的刀片物理拔除雜草。
- FarmWise（美國）：打造 Vulcan 與 Titan 機器人，利用專有機器學習流程辨識並機械移除蔬菜田內的行間雜草。
- 智慧耕耘機：賓州州立大學延伸部報告拖拉機牽引的「智慧耕耘機」（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：配備多光譜攝影機與 AI 演算法的空中無人機能從空中偵測雜草區塊，協助規劃處理。
總之，無論是大型農場或小型專業田塊，AI 驅動的除草機器正以多種形式崛起。
優勢：效率、獲利與永續
AI 除草帶來明顯優勢：
顯著節省化學藥劑
僅對雜草噴灑，極大減少除草劑用量。
- John Deere 報告節省數百萬加侖
- 相當於 100 萬英畝土地上的約 12 個奧林匹克標準泳池
- 平均節省 60–76% 除草劑使用量
提高產量與作物健康
更早且更徹底移除雜草，有助作物茁壯。
- 消除人力可能忽略的小型雜草
- 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 機器人自動執行除草工作，釋放人力。
- 最多減少 37% 需要的人工除草人力
- 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
減少除草劑流入水土。
- 減少田間作業次數（節省燃料）
- 多數情況下免耕作（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 | AI 除草 | 節省幅度 |
|---|---|---|---|
| 除草劑成本 | 大量施用 | 僅針對目標施用 | 減少 60-95% |
| 人力成本 | 人工除草團隊 | 自動化操作 | 減少 37% |
| 設備時間 | 多次田間作業 | 單次精準作業 | 節省超過 50% 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。除了除草劑減量，農民還節省設備使用時間與雇用人力。John Deere 與合作夥伴發現，雖然精準噴霧器前期成本較高，但因投入品節省，投資回收期僅需 1–3 年。許多試驗農戶在全面使用 AI 系統後，單位面積除草成本降低一半以上。
挑戰與採用現況
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。
目前障礙
- 設備成本高昂
- 需要專業知識
- 對資料所有權與可靠性的疑慮
- 技術複雜性問題
- 部分田區雜草與作物外觀過於相似
我原本對 See & Spray 持懷疑態度，但使用後成為信徒，因為它簡單且有效。
— 北達科他州農民
成長推動力
然而，業界專家預期快速成長。投入品價格（肥料、除草劑、人力）上升與環境壓力推動更多農民採用精準方法。
設備製造商
新創創新
AI 整合
未來展望
AI 驅動的除草管理仍在演進，但趨勢明確：更智慧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 攝影機、多光譜影像，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、切除或燒毀
整合系統
與農場 GPS 與繪圖工具整合，持續學習
農民希望「一個能做所有事的工具」— AI 正朝此願景邁進，賦予機器靈活性以解決田間即時問題。
— 農業科技專家
全球永續影響
關鍵是，這些 AI 解決方案符合全球永續農業需求。消費者與監管機構越來越要求降低化學殘留與環保耕作。
化學藥劑減量
部分案例除草劑減少 80–95%
人力解決方案
協助農場應對人力短缺
氣候適應
支持農場面對氣候壓力
