Сегодня в сельском хозяйстве роботы и дроны могут контролировать поля, датчики температуры и влажности могут быть автоматизированы для удовлетворения потребностей сельскохозяйственных культур, а множество других систем и устройств делают фермы более эффективными, ресурсоемкими и прибыльными. Использование точного земледелия, под общим названием этих технологий, дает значительные преимущества. Однако, поскольку эта технология может быть дорогостоящей, она остается недосягаемой для большинства фермеров мира.
«Многие бедняки во всем мире являются мелкими фермерами, ведущими натуральное хозяйство», — говорит Сьюзен Амроуз, научный сотрудник Лаборатории глобального проектирования и исследований (GEAR) Массачусетского технологического института. «Из-за интенсификации потребностей в производстве продуктов питания, ухудшения состояния почвы, нехватки воды и уменьшения размеров участков эти фермеры не могут продолжать свою нынешнюю практику».
По некоторым оценкам, к концу десятилетия мировой спрос на пресную воду превысит предложение на целых 40 процентов. Почти 80 процентов из 570 миллионов ферм в мире относятся к мелким фермерским хозяйствам, многие из которых расположены в регионах с ограниченными ресурсами и дефицитом воды. В условиях быстрого роста населения и изменения климата, повышающего спрос на продовольствие, а также увеличения нагрузки на природные ресурсы, жизненно важно расширить внедрение устойчивых методов ведения сельского хозяйства среди мелких фермеров.
Амроуз, который помогает руководить проектами по опреснению, капельному орошению, водоснабжению и санитарии в GEAR Lab, говорит, что этим мелким фермерам необходимо перейти на более механизированные методы работы. «Мы пытаемся сделать для фермеров гораздо более доступным использование ирригации на солнечной энергии и получить доступ к инструментам, которые сейчас у них отсутствуют», — говорит она. «Больше урожая с каждой капли, больше урожая с площади – вот наша цель».
Системы капельного орошения поставляют воду и питательные вещества в контролируемых объемах непосредственно в корневую зону сельскохозяйственных культур через сеть труб и эмиттеров. Эти системы могут сократить потребление воды на 20–60 процентов по сравнению с традиционными методами орошения паводком.
«Сельское хозяйство использует 70 процентов пресной воды, которая используется во всем мире. Широкомасштабное внедрение и правильное управление капельным орошением может помочь сократить потребление пресной воды, что особенно важно для регионов, испытывающих нехватку воды или истощение грунтовых вод», — говорит Кэролин Шелин С.М. ’19, аспирантка и член капельной лаборатории GEAR Lab. Ирригационная бригада. «Множество ирригационных технологий разрабатывается для более крупных ферм, которые могут вложить в них больше денег, но «дешевые» не обязательно должны означать «нетехнологичные».
На сегодняшний день GEAR Lab создала несколько технологических решений для капельного орошения, в том числе капельный эмиттер низкого давления, который, как было доказано, снижает энергию перекачки более чем на 50 процентов по сравнению с существующими эмиттерами; модель оптимизации на уровне системы, которая анализирует такие факторы, как местные погодные условия и расположение посевов, чтобы сократить общие затраты на эксплуатацию системы до 30 процентов; и недорогой прецизионный контроллер орошения, который оптимизирует использование энергии и воды системой, позволяя фермерам эксплуатировать систему по идеальному графику с учетом их конкретных ресурсов, потребностей и предпочтений. Недавно было показано, что контроллер снижает потребление воды более чем на 40 процентов по сравнению с традиционными методами.
Чтобы создать эти новые, доступные технологии, команда обратилась к важнейшему источнику знаний — самим фермерам.
«Мы не просто создавали технологию изолированно — мы также углубили наше понимание того, как люди будут взаимодействовать с этой технологией и ценить ее, и мы сделали это до того, как технология стала реальностью», — говорит Амос Винтер С.М. ’05, доктор философии ’11. , доцент кафедры машиностроения и главный исследователь лаборатории MIT GEAR. «Получить подтверждение того, что фермеры оценят то, что будет делать технология, прежде чем мы ее закончим, было невероятно важно».
Команда провела «Дни фермерского поля» и провела интервью с более чем 200 фермерами, поставщиками и специалистами отрасли в Кении, Марокко и Иордании — регионах, выбранных для размещения пилотных полевых испытательных площадок. Эти конкретные места были выбраны по ряду причин, включая наличие солнечной энергии и нехватку воды, а также потому, что все они были отличными кандидатами на рынки для возможного внедрения этой технологии.
«Люди обычно очень хорошо понимают свои проблемы и очень хорошо находят их решения», — говорит Фиона Грант ’17, SM ’19, а также кандидат наук в команде капельного орошения GEAR Lab. «Наша роль как дизайнеров на самом деле состоит в том, чтобы предоставить им другой набор знаний и еще один способ получить инструменты или ресурсы, которые им нужны».
Контроллер, например, принимает информацию о погоде, такую как относительная влажность, температура, значения скорости ветра и осадки. Затем, используя искусственный интеллект, он рассчитывает и прогнозирует дневную солнечную радиацию на участке, а также точные потребности фермера в орошении и отправляет информацию на его смартфон. Насколько много или мало автоматизации будет использовать тот или иной участок, зависит от фермера. В первый сезон работы на марокканском испытательном полигоне технология GEAR Lab снизила потребление воды на 44 процента и энергии на 38 процентов по сравнению с соседней фермой, использующей традиционную практику капельного орошения.
«То, как вы собираетесь управлять системой, окажет большое влияние на то, как вы ее спроектируете», — говорит Грант. «Мы поняли, что фермеры готовы изменить или нет в отношении взаимодействия с системой. Мы обнаружили, что то, что мы могли бы изменить, и то, что было бы приемлемо изменить, не обязательно одно и то же».
Выпускница GEAR Lab Джорджия Ван де Занде ’15, SM ’18, доктор философии ’23, соглашается. «Речь идет не только о создании недорогой системы, но и о создании чего-то, что они захотят использовать и захотят доверять».
В Иордании исследователи на полномасштабной испытательной ферме эксплуатируют капельную систему на солнечной энергии с прототипом контроллера и получают со смартфона команды о том, когда открывать и закрывать ручные клапаны. В Марокко контроллер работает на исследовательской ферме с полностью автоматизированной гидравлической системой; исследователи следят за орошением и выполняют дополнительные агрономические задачи. В Кении, где точное земледелие и интеллектуальная ирригация еще не получили широкого распространения, более простая версия контроллера служит для предоставления образовательной и обучающей информации в дополнение к возможностям планирования и управления.
Знания – это сила для фермеров, а также для дизайнеров и инженеров. По словам Уинтера, если инженер знает требования пользователя, у него гораздо больше шансов создать успешное решение.
«Самый мощный инструмент, который может быть у дизайнера, — это перспектива. У меня есть одна точка зрения — математика, наука и технологические инновации — но я ничего не знаю о том, каково это — жить каждый день фермером в Иордании или Марокко», — говорит Уинтер. «Я не знаю, что забивает фильтры или кто перекрывает воду. Если вы сможете увидеть мир глазами заинтересованных сторон, вы сможете обнаружить требования и ограничения, которые в противном случае вы бы не уловили».
Уинтер говорит, что технология, которую создает его команда, интересна по многим причинам.
«Оказаться в ситуации, когда мир говорит: «Нам нужно справиться с водным стрессом, нам нужно заняться адаптацией к климату, и нам нужно особенно делать это в странах с ограниченными ресурсами», и оказаться в положении, когда мы можем что-то с этим сделать и произвести что-то огромной ценности, а эффективность невероятна», — говорит Уинтер. «Решение нужной проблемы в нужное время и в массовом масштабе — это захватывающе».