無(wú)人機(jī)+農(nóng)業(yè)：無(wú)人機(jī)如何促進(jìn)生物燃料發(fā)展？

    某研究團(tuán)隊(duì)將于 5月 份為一架小型空中無(wú)人機(jī)和兩輛無(wú)人地面車輛安裝上傳感器，然后將其投放于種著數(shù)百種高粱的農(nóng)田。這三架裝有固定傳感器的無(wú)人機(jī)在環(huán)繞整個(gè)農(nóng)場(chǎng)轉(zhuǎn)完一圈后，可以收集信息，希望構(gòu)建一個(gè) 3D 農(nóng)場(chǎng)，幫助研究家們定位出農(nóng)場(chǎng)里每一株高粱生長(zhǎng)勢(shì)頭好過(guò)預(yù)期的具體時(shí)間，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，植物育種家已花費(fèi)了數(shù)年的時(shí)間。

    和另一主要生物燃料（玉米）相比，高粱抗旱力更強(qiáng)，能在其他農(nóng)作物無(wú)法存活的干旱炎熱環(huán)境中生存。但是具體哪個(gè)品種是生物燃料的來(lái)源，目前還不得而知。這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是盡可能多地測(cè)量出每一株高粱的物理性狀——從高度和密度到光和作用下葉子的生長(zhǎng)角度。

    空中無(wú)人機(jī)是一架 25 磅重的無(wú)人直升機(jī)，裝有激光雷達(dá)、可見(jiàn)像、熱紅外以及高光譜相機(jī)。每?jī)芍埽@架微型直升機(jī)會(huì)花 20 分鐘圍繞這片 10 英畝的高粱地至少轉(zhuǎn)一個(gè)來(lái)回，同時(shí)地面無(wú)人車輛也會(huì)至少進(jìn)行一次巡邏，以此來(lái)對(duì)高粱進(jìn)行測(cè)量以及在高粱的莖葉上安放微型傳感器。

    “我們的總體目標(biāo)就是要大大提高高粱這一生物能源作物的產(chǎn)量，” Near Earth Autonomy 公司的高級(jí)機(jī)器人工程師 Paul Bartlett 表示。該項(xiàng)目的空中無(wú)人機(jī)傳感系統(tǒng)就是這家公司做的。如果產(chǎn)量能夠大幅增加，“那么高粱就能真正成為可持續(xù)生物能源的來(lái)源。”

    在美國(guó)國(guó)內(nèi)種植生物能源作物兼具環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。高粱這一生物能源作物和傳統(tǒng)的石油相比，所產(chǎn)生的溫室氣體排放量要。要想替代傳統(tǒng)燃料，就必須大量增加高粱的產(chǎn)量，正因如此，美國(guó)能源部先進(jìn)能源研究計(jì)劃署 （ARPA-E） 為諸如 Bartlett 所做的這類項(xiàng)目投入了 3000 萬(wàn)美元，這類項(xiàng)目利用機(jī)器人和自動(dòng)傳感系統(tǒng)來(lái)收集作物的物理 “表現(xiàn)型”數(shù)據(jù)，速度上比以往的人工測(cè)量要快很多。

    這正是植物遺傳學(xué)研究中面臨的主要難題，威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校植物生理學(xué)家 Edgar Spalding 說(shuō)到。得益于基因組測(cè)序，科學(xué)家們能夠獲得大量關(guān)于植物基因結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，但是關(guān)于這些基因信息如何轉(zhuǎn)換成植物生理機(jī)能（或表現(xiàn)型）的數(shù)據(jù)卻很少。由于對(duì)表現(xiàn)型進(jìn)行人工測(cè)定是一項(xiàng)耗時(shí)耗力且成本頗高的工作，因此科學(xué)家的研究范圍受到了限制。

    不過(guò)這一難題很快就能得到解決。通過(guò)與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所、唐納德丹弗思植物科學(xué)中心和克萊姆森大學(xué)植物研究員的合作，Bartlett 所在的研究小組（ARPA-E 資助的 6 個(gè)研究小組的其中之一）爭(zhēng)取在接下來(lái) 2 到 4年 內(nèi)完成自動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，以此來(lái)收集大量的表現(xiàn)型數(shù)據(jù)、分析作物的生長(zhǎng)情況以及開(kāi)發(fā)些算法來(lái)選出適合再生產(chǎn)的作物品種。圣路易斯丹弗思植物科學(xué)中心的研究組將利用這些小組所作的研究來(lái)創(chuàng)建一個(gè)開(kāi)源的表現(xiàn)型數(shù)據(jù)集，供全球各地的科學(xué)家們使用。

    通過(guò)無(wú)人機(jī)來(lái)研究植物表現(xiàn)型的這類項(xiàng)目將植物表現(xiàn)型研究中所遇到的瓶頸。Spalding 表示，但這些項(xiàng)目的實(shí)施需要植物研究家同數(shù)據(jù)分析專家通力合作。

    “我覺(jué)得一旦研究家們能夠很好地運(yùn)用這些飛行傳感器，那他們就會(huì)意識(shí)到接下來(lái)要面臨的就是計(jì)算這一艱巨任務(wù)了，” Spalding 說(shuō)到。“這些數(shù)據(jù)的計(jì)算可不是在電腦桌面上就能完成的。”