수직농업 작업에서 인공조명과 인공지능은 사람의 개입을 최소화하면서 들판에 퍼지지 않고 높이 솟은 선반에 조밀하게 쌓인 식물을 실내에서 자랄 수 있도록 유도한다. 그것이 목표이다. 그러나 신선한 농산물을 현지 시장에 공급하겠다는 큰 약속에도 불구하고 이러한 시스템은 증가하는 세계 인구를 먹일 수 있는 기후 친화적인 방법을 아직 제공하지 못했다. 공상 과학 소설에서 바로 튀어나온 로봇 "꿀벌"이 이러한 하이테크 작업을 구출할 수 있을까?

세계 최초의 상업용 수직농장이 2012년 싱가포르에 문을 열었다. Infarm 및 AeroFarms와 같은 주요 업체가 향후 10년 동안 수억 달러의 자금을 확보하면서 그 후 몇 년 동안 더 많은 기업이 생겨났다. 수경재배와 같은 지속 가능한 시스템의 도움으로 식물 성장과 물 사용을 면밀히 모니터링하는 인공지능을 통해 일부 회사와 전문가는 이러한 미래형 농장이 기존 작업의 막대한 토지와 물 발자국 없이 전 세계 식량 불안을 해결할 수 있다고 주장한다.

온타리오 구엘프 대학교에서 통제된 환경 농업을 연구하는 토마스 그레이엄(Thomas Graham)은 이러한 농장이 "우리 식단에 의미 있는 양을 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 말한다. 그리고 회사는 거의 모든 곳에 배치할 수 있다.

그러나 많은 수직농장의 희망은 지난 1년 동안 말랐다. 러시아의 우크라이나 침공으로 인해 최근 인플레이션과 전 세계적으로 치솟는 에너지 가격으로 인해 이 농장의 거의 일정한 전기 수요를 감당할 수 없게 되었다. 지난 가을 Infarm은 직원의 절반 이상을 해고한다고 발표했으며 AeroFarms는 최근 파산 신청을 했다. 한편 다른 수직 농장 벤처도 재정적 어려움에 직면해 있다.

수직농장이 현재 제한된 범위의 제품을 제공하는 것은 도움이 되지 않는다. 물을 적게 사용하고 성장이 빨라 실내에서 수경재배가 비교적 용이하기 때문에 대부분 상추, 허브 등의 채소만 재배한다. "우리가 하고 있는 작업 중 일부는 잎이 무성한 채소를 지나 이동하는 것이다."라고 그레이엄(Graham은 말한다. "상추로 세상을 먹일 수는 없다."

진정으로 식량 불안에 대처하기 위해 수직 농장은 제품을 확장해야 하며 이는 꽃가루 매개자를 하이테크 실내농업 운영으로 끌어들이는 방법을 찾는 것을 의미한다. 우리가 먹는 작물의 약 1/3은 자라기 위해 꿀벌과 박쥐와 같은 수분 매개체를 필요로 한다. 상업용 재배자들에게 가장 인기 있는 수분 매개체 중 하나인 길들여진 꿀벌은 인공조명 아래에서 탐색하는 데 어려움이 있고 손으로 수분하는 것은 매우 시간 집약적이어서 비용이 많이 들기 때문에 수직농장에서 작업을 완료하기가 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 10년 이상 로봇 수분 매개체에 대해 연구해 왔다. 그러나 그러한 수분 매개체는 최근에 야 대학과 상업 활동에 진출했다.

꿀벌 로봇 구조

봇은 농장에 새로운 것이 아니다. 20세기 중반부터 연구자들은 자동 조향 기능이 있는 트랙터를 포함하여 농업을 자동화하는 방법을 모색했다. 1980년대와 1990년대에 엔지니어들은 로봇 멜론 수확기 및 토마토 따기 로봇과 같은 작업 별 장치를 만지작거리기 시작했다. 기업들은 현재 다양한 농산물을 수확하기 위한 자율 봇을 개발하고 있으며 일부 장치는 제초, 살충제 살포 및 질병 모니터링을 포함한 추가 작업도 수행할 수 있다. 인공지능은 이러한 도구 대부분이 온-보드 센서(종종 식물에 의해 반사되는 빛 유형의 차이를 포착할 수 있는 다중 스펙트럼 카메라)의 정보를 구성하고 처리하는 데 도움이 된다. 이러한 차이는 과일의 성숙도 또는 손상 징후와 같은 작물의 건강에 대한 단서를 제공한다.

대부분의 농업 기계 연구는 여전히 농산물을 따는 봇에 초점을 맞추고 있지만, 더 많은 팀이 이제 수분을 자동화하는 것을 목표로 하고 있다고 농업 지향 로봇 공학 및 AI 시스템을 연구하는 뉴질랜드 오클랜드 대학의 연구원 말라 네자티(Mahla Nejati)는 말한다. 그녀의 박사 학위를 위해 프로젝트에서 네자티(Nejati)는 과수원용으로 설계된 자동 키위 및 사과 따기 봇을 위한 컴퓨터 비전 시스템을 개발했다. 결국 그녀의 동료들은 계시를 받았다. 그들은 이미 로봇으로 채집하고 있었기 때문에 "수분을 더 일찍 시작했으면 좋았을 것"이라고 네자티(Nejati)는 말한다.

이제 전 세계의 과학자와 기업은 로봇 꽃가루 매개자를 설계하고 구현하는 가장 좋은 방법과 씨름하고 있다. 이것은 간단한 작업이 아니라고 웨스트버지니아대학교의 로봇 공학자인 Yu Gu는 StickBug라고 불리는 6개의 팔을 가진 수분 기계를 개발하고 있다고 말한다. 널리 사용할 수 있는 수분 매개체를 만들기 위해 "꽃의 종류와 농업 환경의 종류가 너무 많다는 것이 큰 문제라고 생각한다."고 그는 말한다.

일부 연구원은 학계 외부와 시장으로 작업을 수행했다. 이전에 싱가포르 국립 대학교에서 드론 공기 역학을 공부한 싯다르트 자다브(Siddharth Jadhav)는 2019년에 Polybee라는 회사를 설립했다. 그와 그의 동료들은 수직 농장과 온실을 포함한 다양한 유형의 실내 농업 작업에 널리 사용되는 미니 드론을 조정한다. Polybee의 AI 기반 소프트웨어는 재배자가 식물 근처를 비행하도록 주요 특성을 측정하는 컬러 카메라 센서가 장착된 드론에 지시한다. 그런 다음 드론은 온실 내부 조건(예: 온도 및 습도)이 수분에 최적일 때 꽃을 진동시키기 위해 주변 공기를 조심스럽게 방해한다고 자다브(Jadhav)는 말한다. 이 활동은 꽃에서 꽃가루를 털어내고 수정 과정을 시작한다.

Polybee는 현재 호주의 상업용 토마토 온실에 수분 시스템을 판매하고 있다. (다른 많은 식량 작물과 비교할 때 토마토 수분은 식물의 꽃에 암수 부분이 모두 있기 때문에 상대적으로 간단하다.)

팀은 또한 실내 수직농업 회사와 시험을 진행했지만 "아직 대규모로 과일 작물을 재배하는 상업적 수직 농장은 많지 않다."고 자다브(Jadhav)는 말한다.

이스라엘에 본사를 둔 Arugga라는 회사도 토마토 온실에 봇을 판매한다. Polly라는 적절한 이름의 이동 지상 로봇은 식물 열 사이를 이동하고 수분을 촉진하기 위해 공기 펄스를 폭발시킨다. 프로세스는 대부분 자율적이다. 그러나 지금은 인간 운영자가 태블릿을 조작하여 행 간에 Polly를 이동해야 한다. Arugga는 궁극적으로 수직 농업을 탐구할 수 있지만 그 시장이 더 수익성이 있을 때만 가능하다고 회사의 공동 설립자이자 사업 개발 부사장인 에이탄 헬러(Eytan Heller)는 말한다.

그래도 로봇 수분 매개자가 수직 농장에 적용된다면 여러 가지 이점을 제공할 수 있다. 첫째, 꿀벌은 농장에 큰 피해를 주는 질병을 퍼뜨릴 수 있기 때문에 식물 사이의 감염을 줄일 수 있다. 20년 이상 동안 전 세계의 과학자들은 호박벌이 이전에 감염되지 않은 토마토에 바이러스를 퍼뜨려 판매할 수 없게 만들 수 있다고 제안했다. 온실에 배치된 상업적으로 개발된 벌은 외부로 빠져나와 근처의 야생 벌을 감염시킬 수 있다. 이미 기후 변화, 도시화 및 살충제 사용과 같은 요인과 크게 관련된 급격한 감소를 경험하고 있다. 이것은 스스로 기계적 대체물에 의존할 수 없기 때문에 야외 수분 매개체에 의존하는 식물에 특히 피해를 준다. 네자티(Nejati)에 따르면 봇은 고도로 구조화된 환경을 돌아다니고 예측할 수 없는 날씨와 온도를 피할 수 있는 실내에서 가장 잘 작동한다.

Polybee와 Arugga는 토마토 수분 게임이 성공했다고 주장하지만 다른 유형의 식물과 함께 작동하도록 제품을 수정하는 작업을 계속하고 있다. Polybee는 현재 딸기에 대한 시험을 진행하고 있으며 Arugga는 딸기 및 블루베리와 같은 다른 많은 작물과 함께 작동하도록 도구를 조정할 수 있다고 말한다.

그러나 각각의 공장에는 고유한 복잡성이 있다고 Gu는 말한다. Arugga는 다양한 종류의 과일에 펄스 공기 방법을 사용할 계획이지만 Gu와 그의 동료들은 특정 품종이 꿀벌이 수행하는 자연적인 방법과 유사하게 로봇과의 직접적인 접촉이 필요할 수 있음을 발견했다. 곤충학자 및 원예학자를 포함한 다양한 전문가와 협력한 후 그는 예를 들어 일부 유형의 베리가 접촉 기반 수분의 이점을 누릴 수 있다고 생각한다. 그레이엄(Graham)은 특정 열매가 아마도 작은 드론과 같은 로봇과의 직접적인 상호 작용을 통해 이점을 얻을 수 있다는 데 동의한다.

과일에 관계없이 봇은 섬세한 경향이 있는 꽃이 손상되지 않도록 부드럽게 작업해야 한다. Gu 씨는 수분 과정을 "로봇 수술"에 비유하며 현재 드론 공기 흐름 방식은 개인이 아닌 여러 식물을 한 번에 작업하는 것으로 제한될 것이라고 말한다. "정확한 수분이 필요한 작물은 기류에 의해 방해를 받는다."고 그는 말한다. "정확하게 작동하기가 어렵다."

로봇 수분 매개자가 노후화된 수직농장을 구한다고 해도 어떤 유형의 실내 농업도 인간이 수천 년 동안 의존해 온 밭을 완전히 대체할 수는 없다. 그러나 그는 수직농장이 너무 많은 공간을 차지하지 않고 야외 작물을 보완할 수 있다고 제안한다. 예를 들어 버려진 땅에 지을 수 있다. "이것은 작업을 수행하는 보완적인 방법이다."라고 그레이엄(Graham)은 말한다. "우리는 기후 변화와 인구 증가에 직면하여 농업을 재고해야 하지만 [수직 농장]을 경쟁력 있는 것으로 간주해서는 안 된다. 그렇지 않기 때문이다."

수직농장은 천연 자원이 부족한 또 다른 위치인 우주 공간을 추가로 지원할 수 있다. 최종 개척지에서 식량 생산을 연구하는 그레이엄은 로봇 수분 매개자가 이 환경에서 특히 도움이 될 수 있다고 말한다. 과학자들은 이미 살아있는 곤충을 우주로 데려와 수분 매개자로 일하고 쓰레기를 먹을 계획이지만 곤충의 금속 대응 물은 더 오래 살 것이다. ("일꾼" 땅벌은 몇 주 동안만 생존한다.) 우주 비행사는 이러한 도구를 행성 밖에서 3D프린팅할 수도 있다.

"우주는 탁자에서 벗어난 것이 없기 때문에 깔끔한 분야이다."고 그는 말한다. "모든 것이 고려 중이며 궁극적으로 대부분의 것과 마찬가지로 [우주 농업은] 아마도 일종의 하이브리드가 될 것이다."