减少农药使用，提高有效性

农业可能是一项低利润、高风险的业务，受天气和气候模式、昆虫种群周期和其他不可预测因素的影响。农民需要精明地管理他们所处理的许多资源，而化肥和杀虫剂是他们的主要经常性开支之一。

尽管这些化学品很重要，但由于缺乏监测和优化喷洒的技术，农民不得不依靠个人经验和经验法则来决定如何使用这些化学品。因此，这些化学物质往往会被过度喷洒，导致它们径流到水道中并在土壤中堆积。

这种情况可能会改变，这要归功于麻省理工学院 AgZen 发明的反馈优化喷涂新方法，该方法由 Kripa Varanasi 教授和 Vishnu Jayaprakash SM ’19， PhD ’22 于 2020 年创立。

在过去的十年中，AgZen的创始人开发了产品和技术来控制液滴和喷雾与植物表面的相互作用。这家总部位于波士顿的风险投资公司将于 2024 年推出一款新的商业产品，目前正在试用另一种相关产品。两者的现场测试表明，这些产品可以帮助农民更有效地喷洒，总体上使用更少的化学品。

“在世界范围内，农场每年在杀虫剂上的花费约为600亿美元。我们的目标是在不牺牲有效虫害管理的情况下减少喷洒农药的数量并减轻农场的经济负担，“瓦拉纳西说。

让液滴粘住

虽然世界农药市场正在迅速增长，但许多喷洒的农药并没有达到目标。很大一部分从植物表面反弹，落在地面上，成为流向溪流和河流的径流的一部分，经常造成严重的污染。其中一些杀虫剂可以被风吹走很长的距离。

“漂移、径流和施用效率低下是农业中众所周知的长期问题，但我们可以通过控制和监测喷洒的液滴与叶子的相互作用来解决这个问题，”瓦拉纳西说。

在麻省理工学院塔塔中心和安利特水和食品系统实验室的支持下，Varanasi 和他的团队分析了液滴如何撞击植物表面，并探索了提高应用效率的方法。这项研究促使他们开发了一种新型的喷嘴系统，该系统用化合物覆盖液滴，以增强液滴在叶子上的保留，他们称之为EnhanceCoverage。

从马萨诸塞州到加利福尼亚，再到意大利和法国，跨地区的实地研究表明，这种液滴优化系统可以使农民将所需的化学品量减少一半以上，因为更多的喷洒物质会粘在叶子上。

测量覆盖率

然而，在试图将这项技术推向市场时，研究人员面临着一个棘手的问题：没有人知道杀虫剂喷雾剂对植物的粘附程度如何，那么AgZen怎么能说其新的EnhanceCoverage系统的覆盖率更好呢？

“我从小就背着背包在印度的一个小农场喷洒，所以我知道这是一个问题，”贾亚普拉卡什说。“当我们与种植者交谈时，他们告诉我，当你在大型机器上喷洒时，喷洒是多么复杂。每当您喷洒时，都会有很多事情会影响您的喷洒效果。你开喷雾器的速度有多快？您对化学品使用的流速是多少？你用的是什么化学品？植物的年龄是多少，您使用的喷嘴是什么，当时的天气如何？所有这些都会影响农用化学品的效率。

农业喷洒基本上归结为将化学物质溶解在水中，然后将液滴喷洒到植物上。“但是液滴和叶子之间的相互作用很复杂，”瓦拉纳西说。“我们想方设法优化这一点，但种植者告诉我们，嘿，我们从一开始就没有真正考虑过这一点。”

尽管农民已经大规模喷洒农用化学品约80年，但他们“被迫依靠一般的经验法则，根据过去对他们有用的方法选择所有这些相互关联的参数。你选择一组这些参数，你去喷洒，你基本上是在祈祷你的害虫控制效果如何，“瓦拉纳西说。

在 AgZen 向农民推销新系统以提高液滴覆盖率之前，该公司必须发明一种方法来实时精确测量粘附在植物上的喷雾量。

比较前后

他们提出的系统去年在全国各地的农场进行了广泛的测试，该系统涉及一个可以用螺栓固定在几乎任何喷雾器的喷洒臂上的装置。它带有两个传感器堆栈，一个位于喷雾器喷嘴的前面，一个位于喷嘴的后面。然后，在平板电脑上运行的内置软件会向操作员准确显示喷雾剂覆盖了每片叶子的程度。它还计算出这些液滴将扩散或蒸发的量，从而精确估计最终覆盖率。

“有很多物理学控制着液滴如何传播和蒸发，这已被纳入农民可以使用的软件中，”瓦拉纳西说。“我们运用了很多专业知识来了解叶子上的液滴。所有这些因素，例如温度和湿度如何影响覆盖范围，在喷涂领域一直是模糊的。但现在你有一些东西可以准确地确定你的喷雾剂的效果如何。

“我们不仅要衡量覆盖范围，还要建议如何采取行动，”AgZen 的首席执行官 Jayaprakash 说。“通过我们实时收集的信息和人工智能，RealCoverage 告诉操作员如何优化喷雾器上的所有东西，从使用哪个喷嘴，到行驶速度，再到多少加仑的喷雾最适合特定英亩作物上的特定化学混合物。”

该工具的开发是为了证明 AgZen 的 EnhanceCoverage 喷嘴系统（将于 2025 年推出）在多大程度上提高了覆盖范围。但事实证明，使用该系统实时监测和优化叶子上的液滴覆盖率本身可以产生重大改进。

“去年，我们与大型商业农场合作种植特种作物和大田作物，”Jayaprakash说。“当我们大规模为试点客户节省了高达 50% 的化学品成本时，他们感到非常惊讶。”他说，该工具降低了休耕田烧毁的化学成本和体积，大豆的杂草控制，棉花的落叶以及蔬菜和水果的杀菌剂和杀虫剂喷雾。除了来自商业农场的数据外，三所领先的农业大学进行的田间试验也验证了这些结果。

“总的来说，我们能够节省 30% 到 50% 的化学品成本，并通过更好地控制害虫来提高作物产量，”Jayaprakash 说。“通过专注于液滴-叶界面，我们的产品可以帮助全年喷洒任何树叶，而最近该领域的大多数技术进步都集中在减少除草剂的使用上。”该公司现在打算今年将该系统租赁数千英亩的土地。

他强调，这些效率的提高可以带来大规模的可观回报：在美国，农民目前每年在化学品上花费160亿美元，以保护约2000亿美元的作物产量。

该公司今年推出了第一款产品，即名为RealCoverage的覆盖优化系统，覆盖了不同作物和不同气候的各种农场。Jayaprakash 说：“我们正在从大型农场试点的概念验证转变为通过我们的先租后买计划在商业基础上实现真正的大规模。

“美国农业部还利用我们来帮助他们评估尽量减少流域杀虫剂的做法，”瓦拉纳西说，并指出RealCoverage对监管机构、化工公司和农业设备制造商也很有用。

一旦 AgZen 证明了使用覆盖率作为决策指标的有效性，并且在 RealCoverage 优化系统得到广泛应用后，该公司接下来将推出其第二款产品 EnhanceCoverage，旨在最大限度地提高液滴附着力。由于该系统将需要更换喷雾器上的所有喷嘴，研究人员今年正在进行试点，但将等待2025年全面推出，届时农民将获得经验和信心。

“浪费太多了，”瓦拉纳西说。“然而，农民必须喷洒以保护农作物，这会产生很多环境影响。因此，经过多年的所有这些工作，了解了液滴如何粘附在表面上等等，现在所有这些产品的高潮对我来说是惊人的，看到这一切变得生动起来，看到我们最终能够解决我们着手解决的问题并帮助农民。