Na cestě k automatizovanému zemědělství: rajčatový robot

Zemí, která je v digitalizaci a automatizaci nejdále, je bezesporu Nizozemsko. U nás je to pořád ještě spíše výjimečné. Přitom ale problémy, které mají nizozemští pěstitelé ovoce a zeleniny, se příliš neliší od problémů našich farmářů. Spíš bychom ale měli říct „které měli“, protože mnohé z nich se jim podařilo úplně anebo aspoň částečně vyřešit pomocí moderních technologií.

Naštěstí i u nás se začíná atmosféra v zemědělství měnit a farmáři čím dál tím více přemýšlejí o tom, jak by mohli práci, kterou dělali stejně i desítky let, začít dělat jinak a efektivněji. A technologické firmy s dlouholetými zkušenostmi s prací v průmyslu, se zamýšlejí nad tím, jak by se dala řešení, která vznikla pro průmysl, přenést do světa zemědělské produkce.

Že to jde a že tyto snahy dávají velký smysl, dokládá příběh úspěšné spolupráce mezi ryze technologickou firmou OptiSolutions a brněnskou rodinnou farmou Ráječek, jejíž tradice spadá až do období První republiky.

Jak „ajťáci“ začali pěstovat rajčata

„Před třemi lety jsme se začali seriózně zabývat tím, jak řešení, která dodáváme do průmyslu, přenést do zemědělství,“ začíná vyprávět svůj příběh Vratislav Beneš, šéfkonstruktér ve společnosti OptiSolutions. „Věděli jsme, jak je složité něco pořádného vypěstovat, a tušili jsme, jakými problémy zemědělství trpí. Byl to ale pro nás nový, úplně neznámý trh, který nás velmi lákal. Cítili jsme potřebu najít nějakou alternativu k průmyslu, abychom vykompenzovali ztráty velkých zákazníků během covidové pandemie. Současně jsme si ale chtěli také odpočinout od toho, co jsme dělali pořád, a zkusit si něco úplně nového,“ doplňuje.

První projekt byl o rajčatech a vznikl v Dejvicích na balkóně. Na pěti rostlinách si tehdy zkoušeli, co všechno na nich lze pozorovat. Když dozrály plody, následoval pokus otrhávat je robotem. A výsledek? Jde to, ale je to nesmírně obtížné.

„Další rok jsme si jako IT firma zaměřená na umělou inteligenci postavili laboratorní skleník a začali v něm amatérsky pěstovat rajčata ve větším množství,“ pokračuje ve svém vyprávění Vratislav Beneš. „Nejlépe nám šlo generovat vady na rostlinách, nicméně nakonec jsme vypěstovali i nějaké plody a přitom jsme se pořád drželi myšlenky, že rajčata budeme s pomocí robota hlavně sklízet. Když jsme se nad tím ale hlouběji zamysleli, došlo nám, že mnohem důležitější než rajčata trhat je se o ně starat. Nejdůležitější je včas rozpoznat, že je s rostlinou něco špatně. A také o ni průběžně pečovat. Pokud jí nebudete systematicky zaštipovat listy, za chvíli budete mít ve skleníku džungli a plody žádné,“ dodává.

Když se změní potřeba

Výsledkem ročního experimentování ve skleníku bylo zjištění, že potřeba je s velkou pravděpodobností někde úplně jinde, než si mysleli na začátku. Trhání rajčat robotem je nesmírně složité a přitom o něj nakonec vůbec nejde. „Ověřili jsme si technologie, které jsme potřebovali, prošli jsme si spoustu slepých uliček, ale nejpodstatnější je, že jsme již věděli, co chceme,“ říká Vratislav Beneš. „V této fázi jsme také pochopili, že potřebujeme expertní znalost, tzn. vědět, na co se robotem díváme a co vlastně vidíme. Bez toho bychom nemohli vůbec nic naprogramovat. Potřebovali jsme najít partnera, s nímž bychom společně dokázali projekt posunout dál,“ uzavírá.

Na scénu vstupuje farmář

Tohoto vysněného partnera našla firma OptiSolutions vloni v zimě v rodinné farmě Ráječek, která hospodaří na pozemcích nedaleko centra Brna již od roku 1930, pouze s nedobrovolnou pauzou v období kolektivizace. Současné vedení firmy je již 3. a 4. generací rodiny Sklenářových. Ta se v roce 2017 rozhodla specializovat především na pěstování rajčat.

Matěj Sklenář, syn Josefa a Ivety, kteří v roce 1997 obnovili rodinou tradici pěstování zeleniny, vystudoval skleníkové pěstování právě v Nizozemsku, které je ve využívání moderních technologií v Evropě jednoznačně nejdál. I tam je automatizace a robotizace ve fázi pěstování, oproti sklizni a logistice, stále ještě ve fázi výzkumu. Proto právě on přijal nabídku ke spolupráci od OptiSolutions bez zaváhání. „Brali jsme ji jako velkou výzvu a příležitost,“ říká Matěj Sklenář.

„Věděli jsme, co nás pálí, jaké máme při pěstování problémy, a to jsme také technologům předali. Specifikovali jsme, co bychom byli rádi, aby robot dělal. Vystudoval jsem fyziologii rostlin, takže si dobře uvědomuji, jaký potenciál spočívá především v monitorování rostlin. A ve sběru dat, která se pak dají využít v budoucnu. To, že by měl robot ustřihnout zralé rajče, je vlastně to poslední, co jsme chtěli řešit. Mnohem důležitější je, aby robot dokázal zavčasu odhalit chorobu anebo škůdce. Zatím to dělají lidé, což je problematické. Lidské oko nevidí vše, brzo se unaví anebo se rychle znudí.  Oproti tomu robot je schopný naskenovat každou jednotlivou rostlinu, nic nepřehlédne a přitom trvale udrží plnou pozornost,“ vysvětluje Matěj Sklenář. „Upozornění a varování, že se s rostlinou něco děje, je pro nás nesmírně užitečné,“ zdůrazňuje.

FRAVEBOT – rajčatový robot s technologiemi od Siemens

Prototyp rajčatového robota s označením FRAVEBOT, který byl vystaven na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně v rámci expozice Digitální továrna, je pilotním projektem, na kterém si jeho tvůrci ověřili, že použité technologie – hardwarové i softwarové – jsou životaschopné.

Současný prototyp je z 80 procent již ve finálním stavu. Koncepce je daná a již plně ověřená, zbývá jen doladit drobnosti. Do budoucna se toto zařízení rozvětví na verze horizontální – pro rajčata – a vertikální – například pro jahody. V plánu je také rozdělit současného multifunkčního robota na dva: na analytického robota a na robota, který bude určen k vykonávání konkrétních činností. Analytičtí roboti, jejichž úkolem je pouze monitorování rostlin, se tak budou moct pohybovat po skleníku rychleji a ve větším počtu. Naproti tomu pracovní roboti budou moct zajíždět jen tam, kde je potřeba nějaký zásah.

Prototyp rajčatového robota FRAVEBOT je plně výsledkem vývoje společnosti OptiSolutions. Rozhraní s fyzickým světem zde zajišťují technologie od Siemens. Robot je postaven na řídicím systému SIMATIC S7-1200 doplněném o nový modul TM NPU na provoz neuronových sítí (neural procesor unit). Modul S7-1200 TM NPU je vybaven TensorBoxem 520A založeným na technologii Nvidia Xavier Nx. Box PC vyniká především velkou CPU a GPU výpočetní silou a přitom je malý – kompaktní a současně robustní.

Vše je hlavně o datech

Robot projíždí jednotlivé uličky ve fóliovníku a sbírá data o rostlinách. Fóliovník sám je také řízen počítačem, tzn. že rovněž generuje spousty dat, která popisují prostředí, v němž rostliny rostou. Tato data ze skleníku lze přes časovou značku a přes lokaci spojit s konkrétní událostí. Správně provedený data mining pak umožní zjistit příčinu této události, např. výskyt konkrétní choroby.

Data, která sbírá robot, se posílají do cloudu, kde probíhá jejich analýza. Popis dat je v tomto případě ale velmi složitý, protože rostliny se trvale mění – rostou, otáčejí se za sluncem, odpoledne lehce povadnou, mění se délka jejich závěsu, přibývají a ubývají na nich plody. Navíc je nutné aktuální data trvale porovnávat s historickými daty – jak daná rostlina vypadala např. před týdnem, před třemi dny a teď. Každé notifikaci o anomálii, která obsahuje přesné souřadnicové určení polohy postižené rostliny, předchází analýza obrovského množství dat a spousta práce algoritmů umělé inteligence.

„Okamžitý feedback není tak složitý jako seřazení informací do časové osy – to je na tom to nejtěžší,“ říká Vratislav Beneš. „Nejtěžším úkolem je popsat, co se děje teď, zjistit příčinu a to celé prodloužit do budoucna, tzn. predikovat, kde by se to stejné mohlo objevit jinde,“ dodává. „Sledování interakce rostlina– prostředí – patogen je nesmírně cenné,“ doplňuje Matěj Sklenář. „Umožňuje nám to velmi přesně modelovat vývoj dané choroby, což je velký krok pro celý obor fytopatologie.“

A hlavní přínos?

„Ani proškolený člověk nikdy nemůže zkontrolovat všechny rostliny. V praxi se to dělá tak, že se kontroluje vybraná část – dělá se tzv. průřezová analýza. S analytickým robotem jsme ale nyní schopni v našem fóliovníku o rozloze 1 ha poskytnout všem 30 tisícům rostlin péči na úrovni jedné rostliny,“ vysvětluje Matěj Sklenář. „Kromě toho se nám významně zvýšily výnosy a kvalita, které nám dříve snižovali choroby a škůdci. Dnes, když robot objeví škůdce, můžeme zasáhnout okamžitě a hlavně lokálně. Díky tomu za sezónu spotřebujeme 1000x, možná 10 000x méně ochranných látek, tedy pesticidů. Tím nejen snižujeme náklady, ale především je naše produkce mnohem ekologičtější,“ zdůrazňuje Matěj Sklenář.