La robótica agrícola comprende el uso de sistemas robóticos en dominios semiestructurados o no estructurados, en interiores o exteriores. En el mundo de los servicios de robótica, la robótica agrícola incluye el cultivo, el ordeño, otros tipos de cría de animales y la robótica agrícola. La robótica agrícola es un área primordial de la investigación en robótica y de la actividad empresarial, como indican los importantes centros de investigación, las redes de investigación y empresariales y otros recursos.
Los tipos de robots cubren las áreas de:
- Cultivos herbáceos, horticultura (específicamente cultivo de hortalizas/frutas), todas las tareas relacionadas, es decir, la gestión, la protección de los cultivos y la cosecha.
- La gestión del ganado para reducir la carga de trabajo de los ganaderos, especialmente en el ordeño de las vacas, el pastoreo y la gestión de los establos.
- Silvicultura para el cultivo, la gestión y la cosecha. Sin embargo, aparte de la mayor automatización de las cosechadoras existentes y la ampliación del uso de drones, ha habido poca actividad en la gestión forestal.
Cultivo
Los robots agrícolas han recibido mucha atención en los últimos años, sobre todo en lo que respecta a los vehículos autónomos terrestres para mejorar la automatización de los cultivos herbáceos, así como en todas las disciplinas de la horticultura, como el cultivo de verduras y frutas, la floricultura y los viveros de árboles, tanto en invernaderos como en el campo.
Además, el uso de vehículos aéreos no tripulados (UAV) para la inspección, la vigilancia, la cartografía y la agricultura de precisión basada en el aire ha logrado resultados prometedores. La demanda económica, la escasez de mano de obra cualificada en las regiones agrícolas, las necesidades de alimentos y fibras de una población mundial creciente y las estrictas normas (políticas) seguirán impulsando la necesidad comercial de los robots agrícolas..
Las innovaciones en robótica y digitalización dependen de tecnologías avanzadas y asequibles, como una gran variedad de sensores para diversas aplicaciones, la electrónica relacionada y los sistemas de comunicación. La robótica desempeña un papel central en los principales retos de la agricultura del futuro:
- La agricultura de precisión es un concepto de gestión agrícola que se centra en cada planta para su tratamiento individual
- Interoperabilidad de los nuevos sistemas robóticos y las máquinas agrícolas convencionales
- Sensores que miden todos los parámetros relevantes necesarios para la gestión autónoma de los cultivos (por ejemplo, detección rápida y fiable en tiempo real de nutrientes en el suelo con alta resolución)
- Automatización de aplicaciones complejas, por ejemplo, cosecha de frutas y verduras
- Establecimiento de sistemas de cultivo mixto, o intercalado, para aumentar la biodiversidad y el rendimiento mediante soluciones digitales y robóticas
- En la actualidad, la automatización y la digitalización en la agricultura se refieren principalmente a la gestión de las explotaciones y a la telemetría. Empresas consolidadas, como BASF y Claas, han desarrollado los sistemas Xarvio y 365Farmnet, centrados respectivamente en el apoyo a la gestión de datos para los agricultores. En la serie de la Sociedad Americana de Ingenieros Agrícolas y Biológicos (ASABE) se muestra una revisión del estado de la técnica..
Tipos de operaciones realizadas por los robots
Los robots agrícolas se utilizan principalmente en entornos semiestructurados. Los invernaderos permiten regular el clima, la luz y las condiciones del suelo, por lo que pueden facilitar el uso de soluciones robóticas. Los robots en campos abiertos utilizan el trazado y la estructura de estos campos al tiempo que abordan los problemas de las condiciones de luz y clima. Los huertos presentan el contexto más complejo (pendientes pronunciadas, parcialmente desestructurados).
El ámbito de los robots agrícolas incluye:
- Agricultura de precisión: Este tipo de robots de campo se utilizan en pequeñas explotaciones o viñedos y permiten aplicar técnicas de agricultura de precisión. A menudo se utilizan para supervisar de forma autónoma el suelo y los cultivos, recoger datos y aplicar medidas precisas de protección de los cultivos.
- Control de malas hierbas: Robots autónomos para tareas de erradicación de malas hierbas, preferiblemente no químicas, como el desbroce mecánico, con agua caliente o con soplete, o mediante el suministro de pulverizaciones selectivas de herbicidas Vivero. Automatización: Automatización de los viveros de cultivos, principalmente para mover las plantas por los grandes invernaderos con el fin de aumentar la eficiencia y hacer frente a la escasez de mano de obra.
- Cosecha de cultivos y frutas: La cosecha de cultivos y frutas puede realizarse las 24 horas del día, los 7 días de la semana.
Además de los vehículos autónomos, pueden ser útiles los manipuladores avanzados en cuanto a maniobrabilidad y sensibilidad, así como los sistemas de visión inteligente para la identificación de cultivos y frutas.
- Plantación y siembra: Una aplicación emergente, los robots de campo con sistemas de visión 3D pueden ahora plantar y sembrar con precisión los cultivos para un crecimiento óptimo.
Las implementaciones más comunes de los robots a pequeña escala son los robots desbrozadores, los portaherramientas que son plataformas versátiles para múltiples aplicaciones, las plataformas con sensores y los recolectores. Además, en los campos se utilizan pulverizadores y combinaciones de pulverizadores y desbrozadoras, así como plataformas para cultivos especiales, como los espárragos o el lúpulo. Todas ellas dependen en gran medida de la tecnología de sensores y de los métodos de análisis de imágenes basados en la IA.
Numerosos investigadores están estudiando la funcionalidad, robustez y rentabilidad de la maquinaria automatizada en diversos campos de la automatización agrícola. El Comité Técnico de Robótica y Automatización Agrícola del IEEE mantiene un sitio de evaluación detallada del estado de la técnica en robótica agrícola.
El creciente interés por la automatización de la agricultura también puede observarse en varios eventos internacionales, iniciativas de investigación y concursos, por ejemplo: en Australia, Estados Unidos, Europa y Japón.
Además de los robots terrestres, los drones tendrán un efecto transformador en la automatización agrícola. Los drones se utilizan y evalúan en proyectos de investigación en áreas como el análisis de suelos y campos, la topografía, la siembra aérea, la pulverización de cultivos, el riego y la evaluación de la salud de las plantas. En el futuro, los drones podrían colaborar de forma autónoma en enjambres para abordar tareas de forma colectiva e incluso apoyar a los robots terrestres con datos e información.
Nivel de distribución
En Europa, Australia, Japón y Estados Unidos se han desarrollado sistemas de guiado autónomo de maquinaria agrícola, como tractores o cosechadoras. Utilizando un sistema global de navegación por satélite (GNSS) y, en algunos casos, sensores ópticos (Light detection and ranging LiDAR, o cámaras de profundidad RGB-D) y ordenadores de a bordo, estos sistemas siguen el límite del surco anterior o generan movimientos en sincronización con otras máquinas móviles, por ejemplo, para trasladar cultivos. Las máquinas de funcionamiento continuo y guiado autónomo tienen el potencial de aliviar a los trabajadores de las tareas más pesadas en las operaciones de campo. Las máquinas agrícolas con asistentes de guiado son un estándar de facto en muchos fabricantes, pero siguen requiriendo que los operadores de las máquinas supervisen los procesos.
Transformación robótica de las máquinas agrícolas convencionales
Con la amplia disponibilidad de sistemas GNSS cinemáticos precisos en tiempo real (RTK) que ofrecen una precisión centimétrica, la localización en el campo combinada con la detección de cultivos basada en sensores abre oportunidades para la siembra, la escarda, la pulverización y la cosecha automatizadas. Casi todos los grandes fabricantes de maquinaria agrícola presentaron prototipos de tractores autónomos: los tractores sin conductor de Case IH Magnum Series’ Autonomous Concept Vehicle, John Deere’s Autonomous Electric Tractor, Yanmar’s Robot Tractor, el Fendt ProbotIQ Xpert, New Holland’s NH Drive concept, o el Autonomous Tractor Corporation y otros. Mientras tanto, se han desarrollado varios sistemas de asistencia al conductor, un ejemplo de Robot Makers GmbH, como complementos tecnológicos para los tractores, que permiten sistemas de asistencia inteligentes y funciones parcialmente autónomas para la maquinaria agrícola probada. Sin embargo, pasará algún tiempo antes de que los tractores autónomos puedan aplicarse. Esto se debe, por un lado, a los retos tecnológicos en materia de percepción del entorno y, por ejemplo, la localización segura asociada, así como la interacción hombre-máquina y animal-máquina, y, por otro, a la falta de directrices o reglamentos por parte de los gobiernos.
Cultivos herbáceos y deshierbe
El deshierbe es una tarea obvia para ser realizada por robots debido a que requiere mucha mano de obra: si se hace manualmente por los trabajadores o para evitar el uso intensivo de herbicidas. Aparte de los dispositivos complementarios para los tractores convencionales, en la última década se desarrolló una generación de robots a pequeña escala. El BoniRob modular omnidireccional de Deepfield Robotics es una destacada plataforma de investigación y una start-up propiedad de Bosch. La localización se realiza mediante mediciones GNSS y LiDAR. El control de las malas hierbas se realiza con un manipulador que las pincha en el suelo. La eficacia se estima en un 80%. Más recientemente, AgroIntelli, ecoRobotix o Saga Robotics han mostrado conceptos novedosos para el deshierbe y otras tareas de protección de cultivos. La fertilización precisa con un robot móvil, como concepto de agricultura inteligente, fue demostrada en campos de maíz por ROWBOT. El Centro Australiano de Robótica de Campo diseñó un robot de campo ligero, omnidireccional y alimentado por energía solar para diversas aplicaciones. Esta plataforma de investigación, bautizada como LadyBird, está equipada con sensores para la detección de malas hierbas, navegación autónoma y tareas relacionadas, manipuladores para la cosecha, equipos de comunicación, así como componentes de software relacionados. ecoRobotix ha desarrollado un accesorio robótico para tractores denominado ARA. El sistema puede manipular grandes cultivos en hilera, cultivos de hortalizas y pastos. Las malas hierbas se detectan mediante sistemas de cámaras e inteligencia artificial y se rocían con precisión con una pequeña cantidad de herbicida. Permite: reducir eficazmente la cantidad de herbicida utilizada. Además de los nuevos robots y tecnologías robóticas, se desarrollan herramientas de software para la automatización de las máquinas agrícolas convencionales. Octinion y Autonomous Solutions Inc. han presentado los primeros productos de software. Para la manipulación de plantas en maceta en viveros e invernaderos, Harvest Automation ha desarrollado un pequeño robot con ruedas que realiza procedimientos de recogida y colocación, un trabajo engorroso y que requiere mucho tiempo y que suele ser realizado por personal humano. Muchos proveedores deben contratar a trabajadores adicionales para mover y espaciar las macetas en grandes campos cuando cultivan plantas sin apoyo robótico. Estos pequeños robots utilizan la detección local para navegar, identificar las macetas y medir y mantener la distancia correcta entre ellas.
Recogida de frutas y verduras
Existen numerosas investigaciones sobre la detección de imágenes y la planificación del agarre para los robots de recogida de fruta. Una amplia evaluación del estado del arte de la investigación y el desarrollo (I+D) recientes reveló que, por término medio, el éxito de la localización era del 85%, el éxito del desprendimiento era del 75%, el éxito de la recolección era del 66%, el daño a la fruta era del 5%, el daño al pedúnculo era del 45%, y el tiempo de ciclo era de 33 segundos”. Un artículo sobre los índices de detección de frutas y hortalizas concluye que todavía ninguno de los sistemas de visión por ordenador puede igualar la capacidad de la mano de obra humana sin fallos, especialmente en la visión y la capacidad de reconocimiento. La cosechadora robótica totalmente automática y rentable en tiempo real podría estar aún muy lejos de ser un prototipo final. Un factor esencial en los costes de la recolección automatizada es la velocidad de recogida: cuanto más rápida, mejor. Pero, sobre todo en el caso de los frutos blandos, debe ser posible garantizar una recolección sin daños en la fruta. La estructuración previa de los árboles o arbustos puede contribuir significativamente a aumentar la detección de la fruta y la velocidad de recogida, así como a simplificar el procedimiento de agarre. Se presentaron ejemplos de Shibuya Harvesting, Harvest Croo y Octinion para las fresas. Los robots de recogida de fruta son proporcionados, por ejemplo, por DBR Conveyor Concepts y Abundant Robotics para las manzanas, Energid para los cítricos, y Robotics Plus technologies para los kiwis y las manzanas. Los robots pueden ser una valiosa ayuda en tareas relativamente sencillas en la agricultura, como el mapeo de superficies, el diagnóstico de plantas y la detección de enfermedades, sobre todo en productos sensibles como la uva. Por ejemplo, el Vitirover detecta la salud de los viñedos mediante la evaluación cuantitativa de la cosecha, la detección de signos tempranos de enfermedades, las lecturas meteorológicas, el recuento de la población de insectos, etc. La empresa Agribot presentó un sistema de seguimiento similar como plataforma para diversas tareas agrícolas en huertos y plantaciones, especialmente la pulverización. Un uso importante de los robots en huertos y viñedos es el de los drones. Estos dispositivos robóticos semiautónomos se utilizan para vigilar las plantas y ayudar en la aplicación de herbicidas. Ejemplos de drones desarrollados para la operación en áreas agrícolas son Agras T16 de DJI, SenseFly Ag 360 de senseFly, o el Farmbird Mavic 2 Pro Hasselblad de Helm Software. Los ejemplos de uso de robots de interior están relacionados con la automatización de invernaderos. La mayoría de las soluciones de automatización se centran en la logística mediante vehículos guiados de forma autónoma para el transporte de frutas y plantas. Sin embargo, con el proyecto y ahora spin-off, Sweeper, se presentó en 2018 un robot para la cosecha de pimientos en invernaderos. Los productos comerciales también se ven en la protección de cultivos, por ejemplo, un robot de pulverización de Bogaerts.
Consideraciones de coste-beneficio y retos de marketing
Entre las muchas ventajas de la automatización agrícola, destacan las siguientes:
- El Banco Mundial afirma que el mundo tendrá que producir un 70% más de alimentos en 2050 si la población mundial sigue creciendo al ritmo actual. El rendimiento de los cultivos, es decir, el número de cosechas por unidad de tierra, tendrá que aumentar al menos en la misma proporción que la demanda de cultivos para evitar que las tierras de cultivo sigan invadiendo los hábitats naturales.
- El Departamento de Agricultura de Estados Unidos informa de que la edad media de los productores de productos agrícolas era de 58 años en 2017, frente a los 55 años de 2002, y otros países muestran datos similares. La incapacidad de dotar a la agricultura de una mano de obra legal y bien remunerada (por ejemplo, en Estados Unidos) ha sido uno de los principales motores de la robótica y la automatización.
- Reducción de la huella ecológica de la agricultura a través de la agricultura de precisión, especialmente por el comportamiento de los clientes y las políticas alimentarias.
El crecimiento de la productividad en el sector agrícola ha sido posible gracias al mayor uso de la tecnología en las últimas décadas. Se refleja en el creciente grado de intensidad de capital en la agricultura: Con 284.000 euros de capital por cada trabajador, la agricultura es uno de los sectores más intensivos en capital; además, el capital disponible por empresa es de 117.400 euros en Alemania, de los cuales, una vez deducidas las retiradas, queda una media de 32.900 euros al año para gastos de capital.
Debido a la limitación de los volúmenes de inversión, las decisiones de gasto en toda gran empresa agrícola se harán de forma sistemática y en función de la rentabilidad económica. En lo que respecta a las inversiones en nuevas tecnologías, se ha comprobado que en la industria agrícola dichas inversiones dependen no sólo de la situación económica de la empresa, sino también de otros factores cualitativos, en particular del nivel educativo y la edad de los responsables. Este conjunto de factores socioeconómicos es comparable al de la mayoría de los países industriales, por lo que existe un gran interés y potencial en la inversión en robótica en prácticamente cualquier tipo de agricultura (lechera, ganadera, agrícola, frutícola, etc.).
Los robots recolectores de fruta llevan muchos años desarrollándose. Estos robots están diseñados para detectar y localizar frutas maduras en los árboles (por ejemplo, manzanas, uvas) o en el suelo (por ejemplo, fresas). Se han utilizado diferentes enfoques, según el tipo de fruta o verdura.
Los sensores de infrarrojo cercano (NIR) o RGB-D suelen proporcionar información suficiente para un algoritmo de clasificación posterior, por ejemplo, basado en redes neuronales convolucionales (CNN). Estos algoritmos ya muestran tasas de éxito en la clasificación superiores al 90%. Para el éxito económico, además de ello y de la localización, es crucial el tiempo de recogida.
El concepto subyacente de manipulación, agarre y recolección parece ser el cuello de botella de un lanzamiento exitoso al mercado. Hasta ahora se han llevado a cabo muchos proyectos de investigación, pero poco se ha filtrado al mundo comercial. Un proyecto más exitoso fue el de un sistema de recolección de manzanas, que utiliza la succión en lugar de un complejo proceso de agarre (Universidad del Estado de Washington, EE.UU.).
Otras investigaciones adoptan un enfoque holístico hacia la recolección de frutas mediante el cultivo de plantas especiales, tratando de que las plantas crezcan de forma predecible para facilitar el mantenimiento y la cosecha. Algunos ejemplos son los pepinos, los pimientos y los tomates.
Aomo la mayoría de las hortalizas se cultivan y cosechan en invernaderos, deshojar las plantas alrededor de las hortalizas se considera una tarea tediosa. El Kompano Deleaf-Line de Priva (Países Bajos) ofrece a los cultivadores una alternativa económicamente viable y totalmente automatizada para el deshojado manual de los cultivos de tomate. El robot debe encontrar y eliminar el mayor número posible de hojas con el mínimo trabajo residual, cortar la hoja con el mínimo riesgo de enfermedad, como la Botrytis, y eliminar las hojas con la suficiente rapidez y, por tanto, de forma rentable.
Asimismo, se han puesto a disposición de los usuarios equipos móviles asistidos por GPS para tareas específicas. Como ejemplo de esta categoría, la Organización Nacional de Investigación Agrícola y Alimentaria (NARO, Japón) presentó un robot para plantar arroz. El robot premiado está diseñado para ayudar a los agricultores trabajando de forma autónoma para plantar arroz dentro de un conjunto de coordenadas programadas. El robot tarda unos 50 minutos en sembrar 3.000 metros cuadrados de tierra. 45 El robot permite a los agricultores registrar fácilmente la cantidad de fertilizante y pesticida que se ha utilizado en cada parte del campo mientras crece el arroz. Por lo tanto, se espera: que contribuya a garantizar la seguridad alimentaria, que ayude a la sociedad a hacer frente al envejecimiento y al declive de la población agrícola, y que también contribuya a aumentar la autosuficiencia de Japón en el campo de la alimentación..
Sin embargo, cuando los entornos están más estructurados y protegidos contra las condiciones climáticas, como en los invernaderos, el uso del robot puede ser más favorable. La automatización de los invernaderos con la ayuda de robots puede garantizar la estabilidad de la mano de obra, la eficacia de la producción y el aumento de los beneficios, que tanto necesita la industria de los viveros e invernaderos. Sin embargo, a pesar de los numerosos estudios realizados, son pocos los productos que han aparecido en la práctica hasta ahora.
La alternativa a estas cosechadoras robotizadas sigue siendo el trabajo manual con o sin maquinaria operada. En comparación con las soluciones robóticas, esto se traduce en una tendencia a reducir los costes de inversión y a aumentar los costes variables.
Aparte de los tractores o cosechadoras parcialmente autónomos, el uso de drones se cuantificó en un estudio de la American Farm Bureau Federation e Informa Economics en 2016: Proporciona la primera herramienta real que aborda los beneficios económicos de la tecnología de los drones en diversas operaciones agrícolas. La Calculadora del Retorno de la Inversión (ROI)™ puede ser utilizada por los agricultores estadounidenses de maíz, soja y trigo para las siguientes aplicaciones de los drones: exploración de cultivos, cartografía 3D del terreno y seguro de cosechas. La Calculadora de Retorno de la Inversión estima que para los agricultores que utilizan el "Drone as a Service" para mejorar la exploración de los cultivos, por ejemplo, el retorno de la inversión es de 12 dólares por acre para el maíz, 2,60 dólares por acre para la soja y 2,30 dólares por acre para el trigo.
Como muchos robots aún no pueden aportar un valor económico añadido, la adquisición de un robot suele parecer interesante sólo para los primeros en adoptarlo. Sin embargo, las perspectivas de una mayor automatización en la agricultura parecen ser generalmente brillantes, como ha demostrado la viabilidad económica. Con el aumento de los costes laborales y la creciente demanda de alimentos, los robots agrícolas se consideran una fuente clave de innovación en el sector primario.