你的下一顿饭在哪儿？你可能知道，但还有数百万人不知道。当前，粮食供应链正面临危机。人口增长、劳动力短缺以及几个世纪以来的过度农垦和环境破坏正威胁着人类最基本的生存需求。
农业可持续发展问题是一个全人类问题，但可能需要机器人来解决。
自动转向联合收割机借助感测融合、机器人和人工智能技术实现精准农业的多种自动化收割任务。（John Deere公司提供）
机器人和机器学习正在助推新兴的、更加可持续的农业发展方法，并更加节约资源、减少化学农药的使用和缩短上市时间。由于传统种植者以及温室立体农场种植者可持续地提供更多新鲜的农产品选择，全世界人们都将吃得更好、更干净、更高端并且更实惠。
未来农场将集高科技、信息化于一体，将用更少的资源产出更多的产品，从而为全人类提供一个更加可持续发展的未来。
本文稍后还将介绍一家初创公司，该公司着眼于新的、可持续的农耕方法，这将颠覆传统农业产业。
先来谈谈农业技术的鼻祖。从19世纪的手扶犁到燃油拖拉机，再到当前人工智能驱动、可将作物健康管理精确到谷粒级别的机器人联合收割机，这位农业先驱经受住了时间的考验。
从耕犁时代到精准农业时代，堪称永远的先锋
1837年，伊利诺伊州铁匠约翰·迪尔用一块破碎的锯片制作了第一台铸钢犁，并且取得了商业成功。高度抛光的钢材和轮廓设计使这款耕犁非常适合美国中西部地区原始草原的那种厚厚的粘土土质。迪尔的发明为迪尔公司的发展奠定了基础。他自己都没有想到，一个世纪以后，他的发明竟从美国Smithsonian博物馆1.37亿件手工制品中脱颖而出，出现在“创造美国的101件物品”名单中，改变了美国历史进程。
约翰·迪尔是农业、建筑和林业机械的国际制造商，发展至今已有180多年的历史，年销售额达374亿美元。这家总部位于莫林的《财富》世界500强企业以其持续致力于提供土地相关的产品和服务而闻名于世。2017年，迪尔公司发布了S700系列联合收割机，智能谷物收割技术领域的最新产品。
迪尔精密农业集团自动化战略负责人Joel Hergenreter说：“玉米粒受损实际上是通过成像技术来识别的。之后，机器人可以调整收割机来避免其继续作业时谷粒再次受损。”
迪尔的S系列产品在2019年拉斯维加斯大道的CES（国际消费类电子产品展览会）大放异彩。迪尔公司标志性的绿黄色组合以及重达数吨的超大型联合收割机令参展人员驻足观看。但是“拖拉机”为什么要出现在消费电子产品展销会上呢？
因为这不是普通的拖拉机，这款联合收割机搭载了机器人和人工智能，并且可以自动转向。
自动驾驶联合收割机
自动驾驶联合收割机真正的亮点在哪里?其实自动驾驶对迪尔来说并不新鲜。这家农业巨头从事自动驾驶技术相关业务已有二十余年。
1999 年，迪尔收购了NAVCOM技术公司，这是GPS先进技术的早期革新者。四年以后，迪尔推出了AutoTracTM导航系统，它通过GPS（全球定位系统）和RTK（实时动态差分定位技术）对田间大型农机进行精确引导。
自 2003 年推出 AutoTrac 以来，迪尔又加装了机械传感器和视觉传感器（摄像头）来识别田间垄沟，确保喷雾机和收割机作业时不会损坏作物。感测融合器会对GPS接受器、机械传感器和视觉传感器的信号进行综合处理，以实现自动转向。
自动导向联合收割机通过感测融合技术、机器人技术和人工智能技术来实现精准农业领域各种自动化收割任务(约翰迪尔提供)
当前，迪尔的大部分大型农业设备都具备“自动驾驶能力”。
“我们驾驶一台20吨重的机器穿过田地，却可以将精度控制在英寸以下，” Hergenreter 说。“正是有了 GPS 接收器，我们才得以达到这样的精度。目前，我们的产品在全球一百多个国家投入使用。”
“由于天气原因，一年中有几个比较紧迫的农忙窗口期，在设备的帮助下，农民可以每天在田间劳作长达14-20小时。而在此之前，农民通常会因为体力透支要休息而被迫在农忙期间停下播种或喷洒农药。AutoTrac 增加了农民的有效劳作时间，使他们更早开工，更晚收工。”
虽然目前这款农机仍需操作员操控方向盘，但自动化机器在狭窄的田垄间作业的精度较高。而一旦操作员感到疲倦，重复作业和精度就会受到影响。
“通过额外加装传感器，农机的运行速度提高了50%，” Hergenreter 介绍：“以前该机器每小时运行8英里，现在田间作业时速可达10-12英里，日生产能力得到切实提高。”
即便是智能农机，当前仍需有操作员在驾驶室操作，因为还有很多方面尚未实现自动化，首先就是自动转向。目前，随着加装越来越多的传感器、融合机器人和人工智能技术，迪尔公司正朝着确保每株农作物都能健康生长的方向努力。
人工智能助力杂草控制
人工智能提高了对杂草的精确控制能力。通过机器人技术和机器学习，农民们可以精确控制肥料和除草剂的使用。
Hergenreter介绍：“它可以每50毫秒就处理一张图像，将这些实时图像与图像库中30多万张图像进行比较，确保锁定杂草目标。”
这大大减少了除草剂的使用量。田间试验表明，目前除草剂使用量仅为过去的10%。反过来，施肥时也可以锁定目标，只向作物植株精确施肥，在优化产量的同时又减少了浪费。
大数据带来更好的决策，更好的收成
数据是农民最宝贵的一项资产。精准农业依赖于大数据。当前，农民可借助网络工具来制定耕作方案或绘制地图，确定每个特定区域的施肥量。之后，方案中的相关数据就会传给喷雾器，喷雾器借助GPS在田间作业，在不同的区域通过调整比例来确保喷洒适量的肥料。
所有这些数据交换都要凭借大量的计算机运算来实现。迪尔推动传统农业转向精准农业，融合了先进的机器人技术和人工智能技术，并且还改造了他们的知识库和相关资源，以更好地支持物联网（IoT）解决方案、移动应用app和云端服务。
Hergenreter说他们的计算机运算是分两个层级进行的。其中一层运算在农机本身进行，如喷雾器、收割机或者是其它机器上。
他还介绍道：“能在设备本身进行并形成闭环的运算，我们都在设备上完成。但是我们也有基于云端的解决方案，那就是约翰迪尔运营中心。用户可以通过我们的4G LTE网络将他们机器上的所有数据发送到云端，并且可以在云端备份。基于云端的方案可使用户看到当前农场的情况，了解到哪些工作是正常进行的，哪些地方出现了问题。云端解决方案还支持协同作业。
农民有很多他们信赖的顾问，比如提供土壤管理和作物生产专业知识的农学家，约翰·迪尔的经销商、银行经理和种子销售代表等，他们帮助农民每天做出各种决定。云端技术使农民得以和他们信任的顾问进行数据共享与合作。
“约翰迪尔运营中心提供一个网页版展示界面，此界面可展示影响农业生产的不同要素，用户可以查看单独要素，也可以查看不同组合，比如湿度和土壤类型，对产量的影响。由于农民经常呆在田间或小货车上，中心也提供了一个手机移动版，这样农民就可以在工作过程中查看同样的信息。
操作员的驾驶舱同样十分先进。里面有操纵杆，还有触摸显示屏，上面会显示各种数据诸如作物状况、谷仓装载程度、机器诊断和性能指标等，并可以操作显示屏实时进行调整。有了这些先进的自动化机器，农场变成了车轮上的工厂。
“农民所做的工作实际上是一项田间网络化的工作。每一块儿田都有数百万株植物。我们的目标是确保每一株植物都达到最佳状态。” Hergenreter 解释道：“目前，许多农场的管理都是以田为单位进行的。有了现在的视觉传感和软件管理技术，我们可以开始研发管理方案，使农民可以以植株为单位进行田间管理了。
直观的触摸显示屏上展示大量的实时数据和分析工具，操作人员在田间移动时，轻触显示屏就可以监控、调整和了解他们的机器状况。 (约翰迪尔提供)
“为了充分发挥农作物的生长潜力，每一株作物在生长过程中都需要被照顾到。有了高新技术，农民可将那些繁重的、重复性的工作交给机器去做。”Hergenreter 说：“我们的目标就是克服日常劳作中存在的天气、气候、土壤等不确定因素，确保农场能有持续稳定的产出。好的决策可使农民更有效地利用他们的时间、设备和土地。我们正在努力优化产量。”
精准农业就是要在控制成本的同时优化产量，推动和保持可持续性发展。保护环境是可持续性发展的措施之一，其中包括保护土地、水源和空气，并尽量减少浪费。当然还包括减少农药、化肥和其他化学品的使用，降低燃料消耗，减少碳排放，节约更多的自然资源和能源。地球上未来数代居民的生存发展都与此息息相关。
据联合国预测，到2050年，世界人口将从目前的76亿增长至98亿。据此，全球丰收倡议组织（GHI）预计世界粮食生产将需要增加70%来满足这一人口增长需求。
GHI估计，从2005年到2019年，农业就业人口将减少5800万人，农业劳动力缩减11%。这对于试图通过寻找熟练劳动力来提高农业产量的农民来说是一个极大的挑战。农业行业将需要学习如何通过采用更加高效和可持续的生产方法来达到事半功倍的目的。机器人和AI技术将开垦出一条光明大道。
使用工业机器人实现自主收割
Root AI位于马萨诸塞州波士顿市，是一家初创公司。这家公司着眼于帮助种植者实现可持续性发展，并为迎接这一挑战而准备了一个独特的“工具箱”。
机器人收割系统Virgo是一个标准的工业级协作机器人，它装在一个移动平台上，配备了计算机视觉和定制化机械臂前端抓手用于抓取各种新鲜农产品，并搭配车载智能系统使其能够在田间灵活作业。
先进的视觉传感、人工智能和定制的手臂末端工具使机器人能够直接从爬藤上摘取成熟的农产品。（Root AI提供）
联合创始人兼首席执行官Josh Lessing表示，Root特别关注系统的大脑，即人工智能技术。近期算法方面取得的最新进展，尤其是能够在复杂环境中锁定单个物体的计算机视觉软件，已经颠覆了行业规则。
Lessing解释说：“对我们来说，人工智能至关重要。一谈到农业，人们就会想到农场中杂乱无序的环境。这些计算工具就此应运而生，他们以一种全新的方式在杂乱的环境中寻找目标物品。与此同时，芯片制造商开始创建“系统化模块”（SoMs），也称“计算机模块”（CoMs），即将整套计算机安装在一个电路板上。该模块赋予机器人出众的计算能力，即便不联网也能进行大量运算，同时耗电量很低。
对于像Root公司推出的Virgo这种应用于农业领域的移动平台来说，电池管理和机载计算能力至关重要。SoMs在以更加节能方式提高运算水平的同时也降低了价格。
“SoMs真的很强大，能够使我们将AI带入这一领域，” Lessing 说。“计算机视觉算法只能观察，但不能触及现实世界。机器人是桥梁，比如，在Root公司，我们正在构建机器学习算法，使机器人能够在复杂的现实环境中从事体力劳动。
机器学习用于抓取规划
为了让机器人抓取某个东西并进行处理，机器人不仅需要能够识别出这些物体，还需要了解这些物体在现实中如何关联的，以及它们相互依附的方式，就像藤蔓上的水果或蔬菜。然后系统需要将这种关联和依附关系反馈给机器人并告知机器人用什么样的方式去抓取和摘除物体。抓取规划是非常关键的一个环节。
Root公司与很多种植者密切合作，在他们的农场里测试公司的产品设备。种植者将试验结果反馈给公司，包括机器人收割系统需要哪些功能发挥出更大的价值。
Root正在通过人工智能和机器学习来赋予他们的机器人新技能。机器人每天都收集数据。数据可以用来改进机器人摘取方式，使其更加智能。Root公司也据此进行软件更新。
Lessing说：“我们不断地更新软件，使其变得更加智能。明年，这些在农场进行日常作业的机器人进行充电的时候系统就会随之更新。因为充电的时候，机器人收集到的有助于改善机器人行为和提高机器人性能的数据就会上传到云端，与此同时，软件也会更新并下载到机器人上。通常情况下，固定设备都是买来的第一天状态最好，然后越用越贬值，但是如果我们能够根据云端的数据进行软件更新，并且将这些更新反馈到云端多机调度系统中，那么单机设备反而会变得越来越好。
应对于特别农作物
Virgo正在美国各地的室内农场进行产品测试。目前，该机器人用在大型商业温室中采摘成熟的西红柿。但Root也关注其他的特别作物，如草莓、覆盆子、黄瓜、辣椒、茄子、甜瓜、葡萄和鳄梨等等。据Lesing所说，采摘这些专门作物需要大量灵巧的熟练劳动力。所以实现这种采摘工作的自动化着实是一项重大的挑战。
“我们首先从西红柿开始，最终这项技术将广泛适用于各种作物。今天是西红柿，明天是柿子椒，后天是黄瓜。”
他说，用Virgo从一种作物转换到操作另一种作物只需要“简单的切换末端执行器”，机器人配备不同的“手”来抓住并摘取不同的水果和蔬菜。
“特种作物行业对成熟劳动力的需求很大并且一直未得到满足，我们通过满足这一需求引起了广泛关注。事实上，种植番茄收入的30%至40%直接支付给劳动者。收割工作对劳动者体力要求很高，这是一项困难的工作，也是一项季节性工作。寻找到足够的劳动力来满足市场需求变得越来越困难。
一台用于温室等狭小空间内作业的协作机器人安装在移动平台上，配备了计算机视觉和机器学习，他会自主地沿着一排植物移动，并在移动过程中摘取成熟的农产品。（Root AI提供）
普通工业机器人完全能够满足这些特种农作物机器人载荷的要求，其中也包括Virgo系统的机器人手臂 -- Precise Automation公司生产的PF3400 协作SCARA机器人。
目前，机器人Virgo在温室中工作时还要在预设的轨道上移动作业，但Virgo最终将能够实现沿着同一排作物自主驾驶，然后通过手动操作移动到下一排作物。Lessing说，这其实也自然而然地产生了一个人机协作的工作流程。
上市更快更新鲜
如果食物采摘之后第二天就能出现在商店货架上以供销售，那么食物的营养价值和口感绝对是最佳的。这其实就是当前消费趋势的发展方向，人们需要新鲜的食材。但是要持续保证生鲜产品的品质、营养价值和口感，意味着农民要在靠近消费者的地方种植。目前，水果和蔬菜的物流供应线通常较长，会影响到产品的保质期，降低终端消费者的体验。
Lessing说：“与温室种植者合作是一个难得的机会，可以参与到农业领域这场积极的、颠覆性的改变当中。这些设施效率极高，与户外农场相比，室内农业可以节水90%。他们能够最大限度地减少杀虫剂、杀菌剂和除草剂的使用。而且，由于室内环境可控，还可以利用益虫来除掉害虫。
“消费者要求零售商提供给他们的食品是通过更加可持续性的方式生产出来的。如果农产品能在24小时内送达大城市，那真是太新鲜了！如果我们能在这样的环境中工作并创造价值，那我们也将成为农业未来发展的缔造者。
Lessing继续谈到：“食品行业有很多挑战，必须一一克服。在我小时候，我父亲最大的乐趣就是在后院摘西红柿。他是一名医生，总是致力于为社区服务。这也是他教导我要做到的。在我的职业生涯中，我有机会从商业层面了解到很多食品行业的知识。而过往的生活经历给我提供了一个新的机会，让我得以继续延续父亲对食品、对社会服务的那种热情，并帮助食品供应商为人们提供充足可靠的食物。
Root公司凭借其机器人系统掌握了几项专利技术，这将帮助他们完成这项使命。
柔性的食品供应链
柔性自动化与全球食品生产商休戚相关，它有助于行业应对食品供应链的种种挑战，特别是在时间上的高要求。为了保证食品新鲜、快速送达、价格合理，供应链各个环节都需要高效完成。而机器人可以帮助农民满足顾客这种永无止境的需求。
公司首席执行官Carl Vause表示，劳动力短缺和效率低下对食品供应造成严重影响。不仅有食物腐烂在藤蔓上，而且由于供应链影响农产品和其它易腐食品无法及时上市时也带来了损失。
软驱动夹具可以在各个食品供应链环节轻柔地处理不同大小和形状的新鲜农产品。（Soft Robotics, Inc.提供）
Vause说：“谈到农产品，可以说我们的设备覆盖了从产品收割到最后一英里配送的所有环节。”
在田间，Soft Robotics正在收割绿叶菜头。生菜收割从传统上来说是一项很艰苦的工作。一队队工人需要弯腰驼背地沿着一排排生菜用刀将菜头从其茎部砍下来。在劳动力短缺的情况下就更难找到愿意做这项苦差事的人了。
自动化拯救了人们，将劳动者从那些不符合人体工程学的劳务中解放出来，转而在自动化的农场中去从事价值更高的工作。Soft Robotics的机器人抓手配备了机器视觉，可以对生菜头进行定位，并且可以自动用刀片将其从茎部切开，帮助美国农民采摘各种类型的生菜和其它绿叶蔬菜。
Vause说：“我们的机器人抓手能够非常快地、并且毫无损坏地抓住各种不同大小的生菜头。这是一个巨大的优势。”
提升食品洁净度和安全性
保持洁净对食品生产商来说是一直是个挑战。在这方面Soft Robotics更胜一筹，其夹具达到了较高程度的食品安全级别。夹具材质采用了按照严格标准生产的手术级聚合物专有材料，同时还符合美国食品和药品管理局(FDA 21 CFR)、欧洲食品接触材料法规（EC 1935）以及日本卫生劳动福利部的相关要求。
“为达到GMP要求，我们使用的是由供应商和我们内部生产的医疗级材料，这对可追溯性非常重要，并且可以确保我们的每个环节都是清洁卫生的，” Vause说。这给食品清洁与安全提供了额外的保障。
食品供应链安全可靠、让人放心，这是人类最基本的一项需求。但人口增长、劳动力短缺和土地退化给可持续发展造成了威胁。对农业而言，就意味着要用更少的资源来提供更多的产出。随着农场运作越来越趋向于精益工厂的模式，机器人和AI技术将是应对这一挑战的有力工具。高科技、清洁和丰富的数据将引领一个更加可持续发展的未来