智能灌溉技术涵盖“每滴更多作物”

在当今的农业中，机器人和无人机可以监控田地，温度和湿度传感器可以自动化以满足作物需求，许多其他系统和设备使农场更高效、更注重资源和更有利可图。这些技术被统称为精准农业，其使用具有显著的优势。然而，由于这项技术可能很昂贵，世界上大多数农民仍然遥不可及。

“世界上许多穷人都是自给自足的小农民，”麻省理工学院全球工程与研究（GEAR）实验室的研究科学家Susan Amrose说。“随着粮食生产需求的加剧、土壤恶化、水资源短缺和土地面积缩小，这些农民无法继续他们目前的做法。

据估计，到本十年末，全球对淡水的需求将超过供应40%。全球5.7亿个农场中有近80%被归类为小农农场，其中许多位于资源贫乏和水资源紧张的地区。随着人口的快速增长和气候变化推高了对粮食的需求，以及自然资源的压力越来越大，增加小农户采用可持续农业实践至关重要。

帮助领导GEAR实验室海水淡化，滴灌，水和卫生项目的Amrose表示，这些小农户需要转向更加机械化的做法。“我们正在努力使农民能够负担得起使用太阳能灌溉的费用，并获得现在价格过高的工具，”她说。“每滴水更多的作物，每面积更多的作物，这是我们的目标。

滴灌系统通过管道和发射器网络将受控体积的水和养分直接释放到作物的根区。与传统的漫灌方法相比，这些系统可以减少20%至60%的用水量。

“农业使用了全球70%的淡水。滴灌的大规模采用和正确管理有助于减少淡水的消耗，这对于水资源短缺或地下水枯竭的地区尤其重要，“博士生兼GEAR实验室滴灌团队成员Carolyn Sheline SM ‘ 19说。“许多灌溉技术是为大型农场开发的，可以投入更多的资金 – 但便宜并不一定意味着’技术不先进’。

迄今为止，GEAR Lab已经创建了几种滴灌技术解决方案，包括一种低压滴灌发射器，与现有发射器相比，该发射器已被证明可将泵送能量减少50%以上;系统级优化模型，分析当地天气条件和作物布局等因素，将整体系统运营成本降低多达 30%;以及低成本的精密灌溉控制器，可优化系统能源和水的使用，使农民能够根据其特定资源、需求和偏好按照理想的时间表运行系统。最近，与传统做法相比，该控制器可减少40%以上的用水量。

为了构建这些新的、负担得起的技术，该团队利用了一个关键的知识来源——农民自己。

“我们不只是孤立地创造技术 – 我们还加深了我们对人们如何与这项技术互动和重视这项技术的理解，我们在技术实现之前就做到了，”机械工程副教授和麻省理工学院GEAR实验室首席研究员Amos Winter SM ‘ 05，PhD ‘ 11说。“在我们完成之前，获得农民会重视这项技术的肯定是非常重要的。

该团队举办了“农民田间日”，并采访了肯尼亚、摩洛哥和约旦的 200 多名农民、供应商和行业专业人士，这些地区被选为田间试点试验点。选择这些特定地点的原因多种多样，包括太阳能可用性和水资源短缺，并且因为所有这些都是最终采用该技术的绝佳候选市场。

“人们通常非常了解自己的问题，他们非常善于提出解决方案，”Fiona Grant ‘ 17，SM ‘ 19说，她也是GEAR Lab滴灌团队的博士候选人。“作为设计师，我们的角色实际上是提供一套不同的专业知识和另一种途径，让他们获得所需的工具或资源。

例如，控制器接收天气信息，如相对湿度、温度、风速值和降水。然后，使用人工智能，它计算和预测该地区当天的阳光照射以及农民的确切灌溉需求，并将信息发送到他们的智能手机。单个站点使用多少自动化仍取决于农民。在摩洛哥试验场运行的第一个季节，与使用传统滴灌方法的邻近农场相比，GEAR Lab技术减少了44%的用水量和38%的能源。

“你操作系统的方式将对你设计它的方式产生重大影响，”格兰特说。“我们了解了农民愿意改变或不改变与系统的互动。我们发现，我们可以改变的，以及可以接受的改变，不一定是一回事。

GEAR Lab校友Georgia Van de Zande ‘ 15，SM ‘ 18，PhD ‘ 23，同意。“这不仅仅是提供低成本的系统，还涉及创建他们想要使用和信任的东西。

在约旦，一个全面测试农场的研究人员正在操作一个带有控制器原型的太阳能滴灌系统，并接收智能手机关于何时打开和关闭手动阀的命令。在摩洛哥，控制器在具有全自动液压系统的研究农场运行;研究人员正在监测灌溉并执行额外的农艺任务。在肯尼亚，精准农业和智能灌溉尚未得到广泛采用，除了提供调度和控制功能外，更简单版本的控制器还可以提供教育和培训信息。

知识是农民的力量，也是设计师和工程师的力量。Winter说，如果工程师能够了解用户的需求，他们更有可能创建一个成功的解决方案。

“设计师可以拥有的最强大的工具是透视。我有一个观点——数学和科技创新方面——但我对约旦或摩洛哥的农民每天生活一无所知，“温特说。“我不知道是什么堵塞了过滤器，或者谁关闭了水。如果你能通过利益相关者的眼睛看世界，你就会发现你本来不会发现的需求和约束。

温特说，他的团队正在开发的技术令人兴奋，原因有很多。

“处于世界说’我们需要应对水资源压力，我们需要应对气候适应，特别是在资源有限的国家’的情况下，我们能够为此做点什么并产生具有巨大价值和功效的东西，这是令人难以置信的，“温特说。在正确的时间大规模解决正确的问题，是令人兴奋的。