کاهش استفاده از آفت کش ها با افزایش اثربخشی | اخبار MIT

کشاورزی می تواند یک تجارت کم حاشیه و پرخطر باشد که تابع الگوهای آب و هوا و آب و هوا، چرخه جمعیت حشرات و سایر عوامل غیرقابل پیش بینی است. کشاورزان باید در منابع متعددی که سر و کار دارند، مدیران زیرک باشند و کودهای شیمیایی و سموم دفع آفات از جمله هزینه های عمده آنهاست.

علیرغم اهمیت این مواد شیمیایی، کمبود فناوری برای نظارت و بهینه سازی اسپری ها، کشاورزان را مجبور کرده است تا برای تصمیم گیری در مورد نحوه استفاده از این مواد شیمیایی به تجربه شخصی و قوانین سرانگشتی تکیه کنند. در نتیجه، این مواد شیمیایی تمایل دارند بیش از حد اسپری شوند که منجر به روان شدن آنها به آبراهه ها و تجمع در خاک می شود.

این می تواند به لطف یک رویکرد جدید اسپری بهینه شده با بازخورد، که توسط AgZen اختراع شده است، یک spinout MIT که در سال 2020 توسط پروفسور Kripa Varanasi و Vishnu Jayaprakash SM '19, PhD '22 تأسیس شد، تغییر کند.

در دهه گذشته، بنیانگذاران AgZen محصولات و فناوری هایی را برای کنترل برهم کنش قطرات و اسپری ها با سطوح گیاهی توسعه داده اند. این شرکت مستقر در بوستون یک محصول تجاری جدید را در سال 2024 راه اندازی کرد و در حال حاضر در حال آزمایش یک محصول مرتبط دیگر است. آزمایش‌های میدانی هر دو نشان داده است که محصولات می‌توانند به کشاورزان در سمپاشی مؤثرتر و مؤثرتر، با استفاده از مواد شیمیایی کمتر کمک کنند.

در سرتاسر جهان، مزارع سالانه حدود 60 میلیارد دلار برای آفت کش ها هزینه می کنند. بنارس می گوید، هدف ما کاهش تعداد سموم سمپاشی و کاهش بار مالی مزارع است بدون اینکه مدیریت موثر آفات را به خطر بیندازیم.

چسبیدن قطرات

در حالی که بازار جهانی آفت کش ها به سرعت در حال رشد است، بسیاری از سموم سمپاشی شده به هدف خود نمی رسند. بخش قابل توجهی از سطوح گیاه جهش می کند، روی زمین فرود می آید و بخشی از روانابی می شود که به نهرها و رودخانه ها می ریزد و اغلب باعث آلودگی جدی می شود. برخی از این آفت کش ها را می توان توسط باد در فواصل بسیار طولانی با خود برد.

واراناسی می گوید: رانش، رواناب و راندمان ضعیف کاربرد، مشکلات شناخته شده و طولانی مدت در کشاورزی هستند، اما ما می توانیم این مشکل را با کنترل و نظارت بر نحوه تعامل قطرات پاشیده شده با برگ ها برطرف کنیم.

با پشتیبانی از مرکز تاتا MIT و آزمایشگاه سیستم های آب و مواد غذایی عبداللطیف جمیلواراناسی و تیمش چگونگی برخورد قطرات به سطوح گیاه را تجزیه و تحلیل کردند و راه‌هایی را برای افزایش کارایی کاربرد بررسی کردند. این تحقیق آنها را به ایجاد سیستم جدیدی از نازل‌ها سوق داد که قطرات را با ترکیباتی که حفظ قطرات روی برگ‌ها را افزایش می‌دهند، می‌پوشاند، محصولی که آن‌ها EnhanceCoverage می‌نامند.

مطالعات میدانی در سراسر مناطق – از ماساچوست تا کالیفرنیا تا ایتالیا و فرانسه – نشان داد که این سیستم بهینه‌سازی قطرات می‌تواند به کشاورزان اجازه دهد تا مقدار مواد شیمیایی مورد نیاز را تا بیش از نصف کاهش دهند، زیرا مقدار بیشتری از مواد اسپری شده به برگ‌ها می‌چسبند.

اندازه گیری پوشش

با این حال، در تلاش برای ارائه این فناوری به بازار، محققان با یک مشکل چسبنده روبرو شدند: هیچ کس در وهله اول نمی دانست که اسپری های آفت کش چقدر به گیاهان می چسبند، بنابراین AgZen چگونه می تواند بگوید که پوشش با سیستم جدید EnhanceCoverage خود بهتر است؟

جایاپراکاش می‌گوید: «من با کوله‌پشتی در مزرعه‌ای کوچک در هند بزرگ شده بودم، بنابراین می‌دانستم که این یک مشکل است. وقتی با پرورش دهندگان صحبت کردیم، آنها به من گفتند وقتی روی یک ماشین بزرگ هستید، سمپاشی چقدر پیچیده است. هر زمان که اسپری می کنید، چیزهای زیادی وجود دارد که می تواند بر میزان تأثیر اسپری شما تأثیر بگذارد. با چه سرعتی سمپاش را رانندگی می کنید؟ از چه سرعت جریان برای مواد شیمیایی استفاده می کنید؟ از چه ماده شیمیایی استفاده می کنید؟ گیاهان چه سنی دارند، نازلی که استفاده می کنید چیست، آب و هوای آن زمان چگونه است؟ همه این موارد بر کارایی مواد شیمیایی کشاورزی تأثیر می گذارد.

سمپاشی کشاورزی اساساً به حل کردن یک ماده شیمیایی در آب و سپس پاشیدن قطرات بر روی گیاهان خلاصه می شود. بنارس می گوید: «اما تعامل بین یک قطره و برگ پیچیده است. ما راه‌هایی را برای بهینه‌سازی آن ارائه می‌کردیم، اما چیزی که تولیدکنندگان به ما گفتند این بود، هی، ما در وهله اول حتی واقعاً به آن نگاه نکرده‌ایم.»

اگرچه کشاورزان حدود 80 سال است که مواد شیمیایی کشاورزی را در مقیاس وسیع سمپاشی می‌کنند، آنها «مجبور شده‌اند به قوانین کلی تکیه کنند و همه این پارامترهای مرتبط را بر اساس آنچه در گذشته برای آنها کار کرده است، انتخاب کنند. شما مجموعه‌ای از این پارامترها را انتخاب می‌کنید، سمپاشی می‌کنید و اساساً در حال دعا برای نتایجی از نظر تأثیرگذاری کنترل آفات شما هستید.» Varanasi می‌گوید.

قبل از اینکه AgZen بتواند کشاورزان را در سیستم جدید بفروشد تا پوشش قطرات را بهبود بخشد، این شرکت باید راهی برای اندازه گیری دقیق میزان چسبندگی اسپری به گیاهان در زمان واقعی ابداع می کرد.

مقایسه قبل و بعد

سیستمی که آنها به دست آوردند و سال گذشته آن را به طور گسترده در مزارع سراسر کشور آزمایش کردند، شامل واحدی است که می توان آن را روی بازوی پاشش تقریباً هر سمپاشی پیچ کرد. دو پشته سنسور دارد، یکی درست جلوتر از نازل های سمپاش و دیگری پشت. سپس، نرم افزار داخلی که روی تبلت اجرا می شود، به اپراتور نشان می دهد که دقیقا چه مقدار از هر برگ توسط اسپری پوشانده شده است. همچنین محاسبه می کند که این قطرات چقدر پخش یا تبخیر می شوند که منجر به تخمین دقیق پوشش نهایی می شود.

بنارس می گوید: «فیزیک زیادی وجود دارد که نحوه پخش و تبخیر قطرات را کنترل می کند، و این در نرم افزاری گنجانده شده است که یک کشاورز می تواند از آن استفاده کند. ما بسیاری از تخصص خود را در درک قطرات روی برگ ها به ارمغان می آوریم. همه این عوامل، مانند چگونگی تأثیر دما و رطوبت بر پوشش، همیشه در دنیای سمپاشی مبهم بوده است. اما اکنون شما چیزی دارید که می تواند در تعیین میزان عملکرد اسپری های شما دقیق باشد.

جایاپراکاش که مدیرعامل AgZen است، می‌گوید: «ما نه تنها پوشش را اندازه‌گیری می‌کنیم، بلکه توصیه می‌کنیم چگونه عمل کنیم. با اطلاعاتی که در زمان واقعی و با استفاده از هوش مصنوعی جمع‌آوری می‌کنیم، RealCoverage به اپراتورها می‌گوید که چگونه همه چیز را در سمپاش خود بهینه کنند، از کدام نازل، سرعت رانندگی، چند گالن اسپری برای یک ماده شیمیایی خاص بهترین است. روی یک هکتار خاص از یک محصول مخلوط کنید.»

این ابزار برای اثبات اینکه سیستم نازل EnhanceCoverage AgZen (که در سال 2025 راه اندازی خواهد شد) چقدر پوشش را بهبود می بخشد توسعه یافته است. اما به نظر می رسد که نظارت و بهینه سازی پوشش قطرات روی برگ ها در زمان واقعی با این سیستم می تواند پیشرفت های عمده ای را به همراه داشته باشد.

جایپراکاش می گوید: «ما سال گذشته با مزارع تجاری بزرگ در زمینه محصولات تخصصی و ردیفی کار کردیم. زمانی که مشتریان خلبان خود را تا 50 درصد از هزینه های شیمیایی خود را در مقیاس بزرگ صرفه جویی کردیم، آنها بسیار شگفت زده شدند. او می‌گوید که این ابزار هزینه‌های شیمیایی و حجم را در سوختگی مزارع آیش، کنترل علف‌های هرز در سویا، برگ‌زدایی در پنبه، و اسپری‌های قارچ‌کش و حشره‌کش در سبزیجات و میوه‌ها را کاهش داده است. همراه با داده های مزارع تجاری، آزمایشات میدانی انجام شده توسط سه دانشگاه کشاورزی پیشرو نیز این نتایج را تأیید کرده است.

جایاپراکاش می گوید: «در کل، ما توانستیم بین 30 تا 50 درصد در هزینه های شیمیایی صرفه جویی کنیم و با ایجاد کنترل بهتر آفات، عملکرد محصول را افزایش دهیم. با تمرکز بر رابط قطره‌ای برگ، محصول ما می‌تواند به سمپاشی شاخ و برگ در طول سال کمک کند، در حالی که بیشتر پیشرفت‌های فناوری در این فضا اخیراً بر کاهش استفاده از علف‌کش‌ها متمرکز شده است. این شرکت اکنون قصد دارد این سیستم را در هزاران هکتار در سال جاری اجاره کند.

و این افزایش بهره وری می تواند منجر به بازده قابل توجهی در مقیاس شود، او تاکید می کند: در ایالات متحده، کشاورزان در حال حاضر 16 میلیارد دلار در سال برای مواد شیمیایی خرج می کنند تا از حدود 200 میلیارد دلار محصول محافظت کنند.

این شرکت اولین محصول خود، سیستم بهینه‌سازی پوشش را با نام RealCoverage، در سال جاری روانه بازار کرد و به طیف گسترده‌ای از مزارع با محصولات مختلف و در اقلیم‌های مختلف دست یافت. جایاپراکاش می گوید: «ما با برنامه اجاره به مالکیت خود از اثبات مفهومی با خلبانان در مزارع بزرگ به مقیاس واقعاً گسترده بر مبنای تجاری می رویم.

Varanasi می‌گوید: «از ما نیز توسط USDA برای کمک به ارزیابی شیوه‌های به حداقل رساندن آفت‌کش‌ها در حوزه‌های آبخیز استفاده شده‌ایم،» با اشاره به اینکه RealCoverage همچنین می‌تواند برای تنظیم‌کننده‌ها، شرکت‌های شیمیایی و تولیدکنندگان تجهیزات کشاورزی مفید باشد.

هنگامی که AgZen اثربخشی استفاده از پوشش را به عنوان معیار تصمیم گیری ثابت کرد، و پس از اینکه سیستم بهینه سازی RealCoverage به طور گسترده عملی شد، این شرکت در مرحله بعدی محصول دوم خود، EnhanceCoverage را که برای به حداکثر رساندن چسبندگی قطرات طراحی شده است، عرضه خواهد کرد. از آنجایی که این سیستم نیاز به تعویض همه نازل‌های سمپاش دارد، محققان امسال آزمایش‌های آزمایشی را انجام می‌دهند، اما پس از کسب تجربه و اطمینان کشاورزان از محصول اولیه خود، منتظر عرضه کامل آن در سال 2025 خواهند بود.

بنارس می گوید: «اسراف بسیار زیاد است. “با این حال کشاورزان باید برای محافظت از محصولات سمپاشی کنند، و این اثرات زیست محیطی زیادی دارد. بنابراین، پس از این همه کار در طول سال ها، یادگیری در مورد چگونگی چسبیدن قطرات به سطوح و غیره، اکنون اوج آن در همه این محصولات برای من شگفت انگیز است، زنده شدن همه اینها را ببینم، تا ببینم که ما در نهایت خواهیم بود. قادر به حل مشکلی هستیم که برای حل آن و کمک به کشاورزان تصمیم گرفته ایم.»