Agricoltura 4.0, così i robot rivoluzionano il settore: stato dell’arte e sviluppi nel mondo - Agenda Digitale

Agriculture Robotics

Agricoltura 4.0, così i robot rivoluzionano il settore: stato dell’arte e sviluppi nel mondo

La robotica può offrire spunti preziosi e significativi in agricoltura, in tutte le fasi fondamentali dalla semina, alla rimozione degli infestanti e alla raccolta dei frutti. Una panoramica sull’evoluzione e i risultati della ricerca nel settore in tutto il mondo

25 Mag 2021
Antonio Frisoli

docente di robotica presso la Scuola Superiore Sant'Anna

La combinazione della parola agricoltura con un suffisso indicativo di alta tecnologia quale il 4.0, può sembrare a prima lettura un vero e proprio ossimoro, ma solo se si ha una visione parziale ancorata ad un mondo agricolo tradizionale. L’intelligenza artificiale in agricoltura, chiamata anche “Agriculture Intelligence”, sta progressivamente emergendo come parte della rivoluzione tecnologica del settore ed è un tema d riconosciuto come strategico a livello mondiale.

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L’evoluzione verso l’agricoltura di precisione

L’agricoltura contribuisce al 6,4% dell’intera produzione economica mondiale, tanto che in almeno nove paesi del mondo è il settore dominante dell’economia [1]. Nonostante l’agricoltura possa superficialmente sembrare una realtà lontana dalla tecnologia, le industrie agricole stanno cercando approcci innovativi per migliorare la resa dei raccolti a causa di cambiamenti climatici imprevedibili, il rapido aumento della crescita della popolazione e le preoccupazioni per la sicurezza alimentare. Nell’ottica, infatti, di uno sviluppo sempre più sostenibile le nuove tecnologie 4.0 e quelle 5.0 in prospettiva rappresentano un fattore chiave per lo sviluppo e la trasformazione dell’agricoltura.

Secondo un nuovo rapporto di Tractica, sviluppato in collaborazione con The Robot Report, il solo impiego di robot in agricoltura aumenterà in modo significativo negli anni a venire, passando da 32.000 unità nel 2016 fino a 594.000 unità annue nel 2024, momento in cui il mercato dovrebbe raggiungere 74,1 miliardi di dollari di fatturato annuo.

La crescente domanda di robot agricoli è guidata da una serie di fattori all’interno di un equilibrio economico-sociale-ambientale complesso, tra cui la crescita della popolazione globale e il conseguente aumento della tensione sull’approvvigionamento alimentare, la diminuzione della disponibilità dei lavoratori agricoli, le sfide, i costi e le complessità del lavoro agricolo, il cambiamento dei terreni agricoli e quello climatico, la crescita dell’agricoltura indoor e la più ampia automazione del settore agricolo.

Questo ha motivato la nascita dell’agricoltura di precisione, termine con cui si si intende un sistema integrato di gestione della produzione agricola e forestale che impiega strumenti e tecnologie per fare la cosa giusta, nel posto giusto, al momento giusto [2]. La scala di questo fenomeno economico-ambientale-sociale è planetaria e per questo ha ricevuto e riceve tuttora la massima attenzione da un capo all’altro del mondo.

Robot in agricoltura, i paesi leader

Il Giappone è attualmente al primo posto nel mondo nella ricerca e nello sviluppo di robot agricoli. Dopo essere entrati nel XXI secolo, i nuovi robot agricoli multifunzionali sono diventati sempre più ampiamente utilizzati ei robot intelligenti sostituiranno sempre più le attività agricole manuali, per produrre il 70% di cibo in più, con lo stesso numero di risorse, in termini di terra e di acqua.

Se guardiamo agli Stati Uniti, troviamo una delle aziende di robot agricoli più conosciute, l’Abundant Robotics, che ha sviluppato un robot per la raccolta delle mele in grado di completare il lavoro di raccolta 24 ore al giorno per migliorare l’efficienza della produzione agricola. Sebbene la raccolta delle mele sia la funzione principale, questa funzione potrà essere estesa anche ad altri tipi di raccolta della frutta.

La più grande difficoltà nell’utilizzo di macchine per la raccolta della frutta risiede nel come completare la raccolta nel periodo di tempo migliore e garantire l’integrità del frutto durante la raccolta. Ma come Abundant Robotics risolve questo problema? La soluzione adottata in questo caso è un braccio robotico a forma di “aspirapolvere”, ovvero la frutta viene “risucchiata” dal dispositivo terminale e la frutta rimane solo a contatto con l’aria, evitando di danneggiare la superficie del frutto con un’attrezzatura meccanica. Inoltre, Abundant Robotics ha anche aggiunto un’apparecchiatura di rilevamento delle immagini a livello millimetrico, così che i frutticoltori possono visualizzare la crescita dei frutti in tempo reale attraverso strumenti di visualizzazione.

In Cina, la scuola di agricoltura cloud

E questo ci collega a quanto avviene a distanza dall’altra parte del Globo, vicino Shanghai. Anche in Cina si parla di “慧” 种地 “huì zhòngdì”, ovvero agricoltura intelligente. Il “Tanjiawan Cloud Agricultural Experimental Site” a Wuzhen in Zhejiang sperimenta mediante una combinazione di 5G, Internet of Things e cloud computing la realizzazione e test di un vero e proprio “cervello agricolo” (letteralmente 农业 大脑 nángyè dànǎo ), in grado di raccogliere tutti i dati su terra, umidità e aria. Per cogliere la sfumatura di questa parola in cinese basti pensare che la stessa radice “cervello elettrico” 电脑 ovvero diànnǎo viene usato per la parola computer, per cui potremmo pensare ad uno slogan che recita “dal cervello elettrico (computer) al cervello agricolo (un vero e proprio computer fisico)”.

In questo modo anche qui gli agricoltori a migliaia di chilometri di distanza possono vedere la crescita del raccolto in tempo reale, così che i coltivatori di pomodori del villaggio di Yehu, in Shouguang, possono visualizzare da remoto e in tempo reale la crescita dei pomodori nella serra della cooperativa del “Tanjiawan Yunshang Agricultural Experimental Site”. Il responsabile del sito ha affermato: “Dobbiamo coltivare un gruppo” di nuovi agricoltori “che conoscono la tecnologia e comprendono i dati”, quindi è stata istituita una “scuola di agricoltura cloud“. Gli esperti di agricoltura possono utilizzare la tecnologia video remota per “entrare” nelle serre degli agricoltori da qualsiasi luogo, partecipare all’intero processo di produzione e rispondere alle domande degli agricoltori.

È chiaro quindi come la robotica possa offrire degli spunti preziosi e significativi nell’agricoltura. I robot possono svolgere ruolo in tutte le fasi fondamentali dalla semina, la rimozione degli infestanti alla raccolta dei frutti, tanto che periodicamente si tiene con buon successo un forum internazionale sulla robotica agricola, denominato FIRA, ormai giunto alla sua quinta edizione.[1]

I robot nell’agricoltura indoor

Anche nell’agricoltura indoor si trovano applicazioni molto interessanti. Nel 2006, i fondatori della Q Robotics mentre erano alla ricerca di problemi aziendali critici che potevano essere affrontati con la robotica, realizzarono un’applicazione convincente durante una visita ad una fiera agricola nel 2007. Più di due miliardi di piante in vaso vengono vendute ogni anno negli Stati Uniti e quasi tutte richiedono una manipolazione ripetuta su letti in crescita. La manipolazione richiede un duro lavoro curvo che è scarso e difficile da gestire ed in questo ambito la robotica può giocare un ruolo fondamentale. Da qui la nascita di “Harvey[2] della Harvest Automation, che produce si riferisce un piccolo robot mobile progettato per l’uso in vivai e serre. Può localizzare, trasportare e organizzare autonomamente piante in vaso sia all’interno degli edifici che sui campi all’aperto.

La Agriculture Robotics in Europa

Anche in Europa si parla di “Agriculture Robotics”, tanto che nel recente European Robotics Forum una intera sessione è stata dedicata alla robotica ed all’intelligenza artificiale per lo sviluppo rurale.

Nel 2016, la startup israeliana MetoMotion ha ricevuto 2,7 milioni di dollari di finanziamenti per sviluppare “lavoratori delle macchine in serra” per svolgere compiti ad alta intensità di manodopera in 1,15 milioni di acri di serre in tutto il mondo (il costo del lavoro della serra rappresenta il costo totale della produzione in serra dal 30% al 50%). La prima applicazione dell’azienda è stata la raccolta dei pomodori in serra. Il robot della serra combina avanzati sistemi di visione tridimensionale e algoritmi di visione artificiale per identificare e localizzare i frutti maturi e quindi coordinare più bracci robotici personalizzati. Infine, ha un attuatore terminale per la raccolta non distruttiva e un sistema di boxe a bordo.

In Europa, sempre nella raccolta della frutta la startup spagnola Agrobot ha ricevuto un finanziamento per sviluppare una raccoglitrice di fragole completamente automatica, che ha 24 “bracci” e può raccogliere le fragole in modo indipendente. Se hai mai raccolto fragole, proverai la sensazione di chinarti e guardare le piante per diverse ore per raccogliere fragole mature. Agrobot ha utilizzato per la prima volta l’apprendimento automatico per misurare la maturità delle fragole.

A Bordeaux e nel sud della Francia, i robot sono nei vigneti e più a nord, a Cognac, i robot attraversano il suolo dei cru Grand Champagne e Petite Champagne [3]. Un robot, denominato Ted, è stato sviluppato da Naïo Technologies a Tolosa da una coppia di ingegneri robotici, Gaëtan Séverac e Aymeric Barthes, per fornire risposte ai problemi dell’agricoltura contemporanea, in particolare quelli che riguardano l’agricoltura sostenibile e le attività ad alta intensità di manodopera.

I robot nella lotta alle erbe infestanti

Nell’ambito della lotta alle erbe infestanti, anche qui troviamo numerose applicazioni. Bosch [3] ha sviluppato con la start-up Deepfield Robotics un enorme robot agricolo in grado di rilevare autonomamente e cancellare fisicamente le singole infestanti in un decimo di secondo.

Infatti, data la portata dell’agricoltura oggi, trattare chimicamente le erbacce è davvero l’unico modo pratico per tenerle sotto controllo, perché è possibile utilizzare trattori o aeroplani per coprire grandi aree in un breve lasso di tempo. Questo robot è in grado di andare a rimuovere meccanicamente le piante infestanti attraverso uno strumento in grado di schiacciare meccanicamente le piante infestanti attraverso un sistema avanzato di riconoscimento di visione artificiale [4].

Anche Ecorobotix è un start-up svizzera la quale propone delle soluzioni per spray ad ultra precisione con la riduzione di circa il 95% del diserbante in uso, grazie ad un sistema di visione artificiale.

I droni robotici e la disciplina della robotica aerea vengono anch’essi usati per l’ispezione e la sicurezza di infrastrutture, la creazione di modelli 3D e di mappe, ma possono in termini di “sciami robotici “essere efficacemente usati in ambito agricolo, in particolare questa tipologia di sciami di robot sono considerati estremamente rilevanti per l’agricoltura di precisione e le applicazioni agricole su larga scala. Ad esempio il rilevamento e la mappatura delle erbe infestanti può essere condotta in un campo da parte di un gruppo di piccoli veicoli aerei senza pilota (UAV). Il sistema di visione di bordo eseguirà il rilevamento di oggetti o la segmentazione semantica a bordo e online, per contare il numero di erbe infestanti al di sopra di una dimensione specifica o misurare in altro modo il loro sviluppo

Cosa possiamo quindi aspettarci per il futuro? In accordo a quanto dichiarato da Eldert Van Henten, professore ordinario di “Biosystems Engineering” ala Wageningen University, nella sua recente presentazione all’ European Robotics Forum 2021, nei prossimi 10 anni ci aspettiamo di raggiungere un’autonomia completa di compiti già meccanizzati con macchine intelligenti autonome integrate nel sistema produttivo agricolo.

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Bibliografia

1. Pathan, M., et al., Artificial cognition for applications in smart agriculture: A comprehensive review. 2020.

2. Agricoltura di Precisione Linee Guida x, A.d. Precisione, Editor. 2015: www.politicheagricole.it.

3. KRAVITZ, M., How Robots are Taking Over Vineyards, in Wine Enthusiast. 2019.

4. Michaels, A., S. Haug, and A. Albert. Vision-based high-speed manipulation for robotic ultra-precise weed control. in 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2015. IEEE.

  1. https://www.agricultural-robotics.com/
  2. https://robohub.org/how-regenerative-agriculture-and-robotics-can-benefit-each-other/
  3. https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/bosch-deepfield-robotics-weed-control

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