Thách thức chính hiện nay của nông nghiệp trên thế giới là tìm kiếm các phương tiện để gia tăng năng suất nông nghiệp – sản xuất nhiều hơn với ít nguồn lực hơn (đất, phân bón, nước, thuốc trừ sâu) – để đáp ứng nhu cầu của dân số thế giới ngày càng tăng. Công nghệ chắc chắn sẽ là một trong những công cụ chính để hoàn thành cải thiện năng suất nông nghiệp, nhưng các yếu tố phức tạp ảnh hưởng đến năng suất cho thấy một hoặc thậm chí một số ít đổi mới công nghệ là chưa đủ ảnh hưởng rõ rệt đến sản xuất nông nghiệp.
Mặc dù giống cây trồng là công nghệ chủ chốt của cuộc “Cách mạng Xanh” thành công giữa những năm 1940-1970, nhưng các công nghệ khác – phân bón, quản lý nước và kiểm soát sâu bệnh – là những thứ cần thiết để đạt được sự gia tăng đột biến trong năng suất nông nghiệp diễn ra ở các nước đang phát triển từ năm 1960 đến cuối những năm 1990. Tương tự, dường như sẽ cần có một sự kết hợp của những đổi mới công nghệ để đạt được tăng lên trong tương lai năng suất và chất lượng sản phẩm nông nghiệp.
Dưới đây là những công nghệ cao được các chuyên gia dự đoán sẽ làm thay đổi nền nông nghiệp thế giới trong tương lai.
Lốp HF (High-flex tires)
Thiết bị càng lớn thì tốc độ canh tác nông nghiệp càng cao. Tuy nhiên, trọng lượng của phương tiện nặng sẽ làm cho đất bị nén chặt, dẫn đến năng suất cây trồng giảm. Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất lốp đang phát triển công nghệ chế tạo lốp xe mới để phân bố trọng lượng trên một diện tích lớn hơn. Kết quả là lốp xe hiện nay cao đến 2,25 m, rộng 1,2 m và sườn lốp linh hoạt hơn, có thể chịu được trọng lượng lớn hơn lốp xe có bố tỏa tròn tiêu chuẩn. Lốp để lại vết bánh xe càng lớn thì lực nén xuống mặt đất càng chặt. Các công nghệ chế tạo lốp mới gồm độ uốn tăng (IF), độ uốn rất cao (VF), và thêm bố tỏa tròn (R+). Lốp với công nghệ này có thể chạy với áp suất không khí thấp hơn từ 20% đến 40% so với lốp có bố tỏa tròn tiêu chuẩn, tạo ra vết bánh xe dài hơn.
Viễn thông và công nghệ thông tin (Telematics)
Một bản đồ chỉ ra tất cả những nơi mà các phương tiện đang hoạt động, mức tiêu thụ nhiên liệu của nó, lượng sản phẩm được gieo hoặc năng suất cây trồng được thu hoạch, thậm chí nếu một bộ phận trong thiết bị hỏng đều được thể hiện trên chiếc máy tính di động của bạn. Công nghệ Big Brother này hiện nay có thể xem như những sản phẩm telematics cho phép dẫn đường, xác định vị trí, định mức và các dữ liệu khác có thể dễ dàng truyền đến hoặc đi từ máy móc nông nghiệp. Hệ thống này giúp nông dân nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị đắt tiền.
Những bộ cảm biến đất và cây trồng
Ngày nay, thiết bị nông nghiệp ngày càng được trang bị những bộ cảm biến thông minh có thể đọc được mọi thứ từ sức khoẻ của cây trồng, nhu cầu nước của cây đến hàm lượng nitơ trong đất. Sau đó những bộ cảm biến cho phép cắm vào các cổng vào OTG (Cổng OTG giúp bạn có thể kết nối trực tiếp với USB, các thiết bị ngoại vi khác để kiểm soát dữ liệu, phần cứng và thực hiện các chức năng nhất định cho phép trên android box cũng như smartphone dựa trên những điều kiện của cánh đồng trong thời gian thực.
Lĩnh vực ứng dụng mới nhất của bộ cảm biến là tưới tiêu, nơi mà những bộ cảm biến đo được nhu cầu nước. Theo Viacheslav Adamchuk, kỹ sư nông nghiệp, Đại học McGill, các bộ cảm biến giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước và tránh thất thoát.
Các công nghệ cảm biến quang học mới dùng để xác định sức khoẻ của cây trồng gồm công nghệ GreenSeeker của Trimble, CropSpec của Topcon và Opt-Rx của Ag Leader. Những hệ thống thông minh này đo được hệ số phản xạ ánh sáng từ cây trồng chuyển đổi thành hàm lượng nitơ. Sau đó, các bộ điều khiển điện tử được kết nối với bộ cảm biến sẽ cung cấp tín hiệu cho các hệ thống ứng dụng để bón đúng lượng nitơ mà cây cần.
Công nghệ cảm biến còn dùng để đo những đặc tính đất như độ dẫn điện của đất, độ cao mặt đất, hàm lượng chất hữu cơ và thậm chí cả độ pH. Ví dụ, Veris Technologies, Geonics và Dualem đều chế tạo các loại cảm biến đất khác nhau.
Một loại khác của hệ thống cảm biến là tạo ảnh bằng vệ tinh hoặc trên không, được gọi là viễn thám. Những vệ tinh này chụp ảnh các vùng nông nghiệp trọng điểm từ ba đến bốn ngày một lần để ghi nhận sự khác biệt về sức khoẻ cây trồng. Người trồng sau đó có thể bón các chất dinh dưỡng dựa trên chỉ dẫn từ ảnh vệ tinh. Các chuyên gia trong lĩnh vực này mong đợi một sự bùng nổ trong việc sử dụng công nghệ cảm biến trong 5 năm tới khi chi phí giảm xuống, đồng thời những người nông dân nhận ra lợi ích của nó để đầu tư.
Sản xuất ethanol hiệu quả cao
Hiệp hội Nhiên liệu tái tạo (Renewable Fuels Association – RFA) cho biết: “Các nhà máy lọc sinh học ethanol hoạt động trong trạng thái thay đổi liên tục”. Với các công nghệ như phân đoạn và khí hoá sinh khối, các nhà sản xuất ethanol đã làm giảm đáng kể việc sử dụng năng lượng nhiên liệu hóa thạch cần thiết để sản xuất ethanol và các hạt chưng cất. Nhiều nhà máy ethanol cũng đã giảm việc sử dụng nước ngọt. Theo báo cáo của RFA, từ năm 2001, các nhà sản xuất ethanol đã giảm 26% nhu cầu về nước.
Công nghệ nhiễm sắc thể mini (Mini-chromosome)
Công nghệ về đặc tính của ngô có thể là một cuộc cách mạng. Công nghệ nhiễm sắc thể mini hứa hẹn mang lại nhiều đặc tính cho một giống ngô lai nhanh hơn và hiệu quả hơn các công nghệ stacking hiện nay. Công nghệ này được phát triển bởi Syngenta và Chromatin, một nhiễm sắc thể mini mới có chứa một hoặc nhiều tính trạng nhất định được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
Stacking có thể bao gồm không chỉ ba, năm hoặc tám tính trạng trong một giống ngô lai, mà là hàng chục, nếu không phải là hàng trăm tính trạng cụ thể. Và bởi vì các nhiễm sắc thể ban đầu của giống ngô không bị thay đổi, do đó quy định đã chấp nhận công nghệ này có thể được đẩy nhanh hơn trong hai năm.
Mặc dù công nghệ vẫn còn ở giai đoạn đầu, các thử nghiệm trên đồng ruộng đã được tiến hành với các giống ngô lai được phát triển với công nghệ này. Roger Kemble thuộc Công ty Công nghệ sinh học Syngenta, cho biết rằng vào cuối thập kỷ này, công nghệ nhiễm sắc thể mini sẽ là công nghệ chuyển tính trạng chính được sử dụng ở ngô.
Công nghệ BUS
Cách đây 10 năm, không có gì ngạc nhiên khi có tới 5 màn hình trong một cabin máy kéo với một bó dây treo từ cửa sổ phía sau kết nối máy kéo với những thiết bị mà nó điều khiển. Ngày nay, những màn hình này đã biến thành một màn hình được gọi là thiết bị đầu cuối ảo (virtual terminal). Các dây được kết hợp với nhau tạo thành một sợi cáp lớn được gọi là BUS (binary unit system – BUS; là hệ thống phụ chuyển dữ liệu giữa các thành phần bên trong máy tính, hoặc giữa các máy tính với nhau) nối vào bất kỳ loại công cụ nào.
Công nghệ này được gọi là ISOBUS, là giao thức truyền thông dựa trên các tiêu chuẩn điện tử nông nghiệp ISO 11783 và mạng lưới vùng điều khiển (Controller Area Network) hoặc công nghệ CANBUS.
David Kuhnel, kỹ sư của Dickey-john giải thích “CANBUS tạo ra môi trường để kết nối tất cả mọi thứ với nhau”. “ISOBUS cung cấp ngôn ngữ và các giao thức để trao đổi thông tin trên BUS để bạn có kết nối giữa máy kéo và các công cụ“. Các nhà sản xuất máy móc nông nghiệp đã nhất trí thực hiện quy trình này vào năm 2001.
Các chế phẩm sinh học
Mong muốn kiểm soát sâu bệnh bằng sinh học và tăng khả năng phát triển của cây trồng, nông dân tìm kiếm các giải pháp trồng trọt thân thiện với môi trường và hiệu quả chi phí. Các công nghệ tiên tiến, chẳng hạn như quy trình xét nghiệm sàng lọc hiệu suất cao, cũng giúp các công ty nhanh chóng tăng theo cấp số nhân các sinh vật có lợi, nhờ đó thúc đẩy quá trình phát triển của các chế phẩm sinh học mới.
Các chế phẩm sinh học như chế phẩm diệt giun tròn Votivo của Bayer CropScience và protein Harpin Alpha Beta, chế phẩm làm tăng khả năng phát triển của cây ở giai đoạn đầu trong sản phẩm Acceleron của Monsanto, chế phẩm xử lý hạt giống là những ví dụ về các sản phẩm sinh học được quảng bá bởi các công ty bảo vệ cây trồng lớn. Advanced Biological Marketing đang tích hợp công nghệ kích hoạt biểu hiện gen (Induced Gene Expression Triggers – iGET) của mình vào một số sản phẩm (như SabrEx, chế phẩm vi khuẩn ở rễ cho ngô).
Các chất chống nấm sinh học như Vault HP của Becker Underwood và Ballad Plus của AgraQuest được sử dụng để bảo vệ đậu tương. Becker Underwood đã đưa ra Polymer 1172-O, là polymer hòa tan trong nước, được kết hợp với các chất tăng cường hiệu năng sinh học và các chất bảo vệ hạt trong hệ thống sản xuất hữu cơ.
Novozymes BioAg tập trung vào các sản phẩm sinh học cải thiện độ màu mỡ của đất, tuy nhiên đã có kế hoạch mở rộng sang thuốc trừ sâu sinh học. Hơn nữa, Novozymes gần đây đã thông báo nhất trí mua EMD/Merck Crop BioScience, là hãng có lịch sử lâu dài phát triển sản phẩm sinh học này.
Nông nghiệp siêu chính xác
Các công nghệ nông nghiệp chính xác ngày càng phát triển mạnh mẽ và chính xác hơn, mở ra kỷ nguyên siêu chính xác.
Việc áp dụng rộng rãi các hệ thống định vị RTK (Real-Time Kinematic, nghĩa là kỹ thuật đo động thời gian thực) đang thúc đẩy kỷ nguyên siêu chính xác. Điều này diễn ra khi chi phí của hệ thống định vị RTK tiếp tục giảm và các mạng điều chỉnh dựa trên sóng radio và/hoặc di động đã có trên mạng thực tế ở khắp mọi nơi ở vùng Corn Belt.
Với sự điều hướng của RTK, việc gieo hạt và bón phân chính xác đã trở thành hiện thực. Các nhà sản xuất đang giới thiệu các bộ điều khiển, ổ đĩa và hệ thống ngắt với độ phân giải cao hơn bao giờ hết. Phương pháp canh tác bảo tồn như strip till (là phương pháp gieo trồng trực tiếp trên đất vừa thu hoạch cây trồng từ vụ trước, không cày xới toàn bộ diện tích, hoặc chỉ cày xới một dải hẹp) cũng trở thành hiện thực. Tương tự như vậy đối với việc lắp đặt nhanh hệ thống thoát nước… Matt Darr, chuyên gia về nông nghiệp chính xác tại Đại học bang Iowa cho biết: “Công nghệ mở ra rất nhiều tiềm năng mới, những điều thực sự làm tăng năng suất cho nông nghiệp”.
Máy trút hạt tự động
John Fulton, chuyên gia nông nghiệp thuộc Đại học Auburn, cho biết: “Những hệ thống này sẽ giúp tự động đổ đầy hạt vào các thùng xe hoặc toa xe một cách dễ dàng. Công nghệ giúp cải thiện từ 10% đến 15% hiệu quả thu hoạch từ quy trình trút hạt. Hiệu quả này có thể thậm chí còn cao hơn đối với một số dòng sản phẩm“.
Theo Fulton, hệ thống được điều hành bởi bộ điều khiển và hệ thống định vị trên máy thu hoạch liên hợp hoặc máy thu hoạch thức ăn gia súc. Các hệ thống này có khả năng sử dụng định vị GPS/GNSS để sắp xếp thùng hàng và kiểm soát tốc độ của nó tương ứng với máy thu hoạch. Các cảm biến âm thanh và/hoặc quan sát tích hợp sẽ được sử dụng để giám sát thùng hàng hoặc toa xe để đảm bảo đầy.
Fulton cho biết, người vận hành khó có thể vừa lái xe, vừa quan sát toàn bộ quá trình trút hạt vào xe hoặc toa xe. Các hệ thống camera video từ xa chắc chắn có thể hỗ trợ, tuy nhiên người vận hành vẫn phải lái xe và ra quyết định. Với hệ thống tự động, người vận hành không phải làm tất cả những việc đó. Kết quả là các thùng hàng sẽ được đổ đầy và tránh sự chậm trễ khi đổ hạt.
Tự động hóa phổ biến (Pervasive automation)
Reid Hamre, AGCO, sử dụng cụm từ “tự động hóa phổ biến” để giải thích tất cả các tính năng sản phẩm mới làm giảm khối lượng công việc của người vận hành. Người trồng nên trông đợi những kiểu tự động hóa này để đảm nhiệm hầu hết các hoạt động của thiết bị trong tương lai. Các tính năng tự động mới cho phép người vận hành làm được nhiều việc hơn mà ít căng thẳng hơn, đồng thời độ chính xác cao hơn do lỗi của con người được loại trừ.
Một số tính năng bao gồm điều chỉnh hệ thống định vị toàn cầu GPS, chuyển hướng ở mũi
ruộng bằng GPS, tự động lập trình ở khoảnh đất không cày tới ở cuối ruộng, máy ép đóng kiện tự động, tự động hóa việc điều khiển các máy liên hợp và máy thu hoạch thức ăn gia súc và tự động hóa các chức năng vận hành máy kéo như quản lý năng lượng thông minh. Các máy kéo, máy đóng kiện, máy liên hợp và các công cụ khác của ISOBUS, cắm và vận hành cùng nhau có thể xem như một phần của quy trình này. Trong ngành công nghiệp nông nghiệp, công nghệ này đang tiếp tục phát triển.
Hệ thống sản xuất điện
Một ngày nào đó nông dân sẽ thấy những máy kéo, máy phun và các máy móc khác sử dụng trong nông nghiệp có thể tạo ra điện năng để vận hành các thiết bị phụ trợ và phụ tùng. Khi các phương tiện này ngày càng lớn hơn và phức tạp hơn, nó cần thêm năng lượng để vận hành các động cơ. Điện khí hóa nên bắt đầu xuất hiện sau khi động cơ đáp ứng tiêu chuẩn khí thải TIER4 được phát triển đầy đủ và được giới thiệu. Các nhà sản xuất thiết bị đã dành một khoản đầu tư lớn cho nghiên cứu và phát triển để đáp ứng những tiêu chuẩn nghiêm ngặt về khí thải của EPA.
Một vài nhà sản xuất đã trình diễn thành công các công nghệ điện khí hóa như chiếc RoGator của AGCO. Loại xe 311 mã lực này được trang bị một máy phát điện 650v, cấp điện cho động cơ bánh xe điện.
AGCO cho biết nguyên mẫu RoGator sản sinh ra điện năng nhiều hơn 30% và tiết kiệm được 20% nhiên liệu đối với máy phát điện và các động cơ. Nhược điểm của nó là trọng lượng của máy phát điện và các động cơ tăng lên.
Tại triển lãm nông trại ở châu Âu năm 2007, John Deere đã trình diễn nguyên mẫu chiếc máy kéo đầu tiên sản xuất điện. 7530 E-Premium có một máy phát điện bằng trục khuỷu, thay thế cho máy phát điện tiêu chuẩn. Máy phát điện được gắn vào bánh đà của động cơ để sản xuất 20 kW điện. Một số tính năng hoạt động bằng điện là điều hòa không khí, làm mát động cơ và phanh.
Xe tự lái
Hệ thống tự lái đã có tác động lớn đến ngành công nghiệp nông nghiệp. Các nhà sản xuất đang đạt đến đỉnh cao trong việc chế tạo xe tự lái và các robot sử dụng trong nông nghiệp.Vài năm trước, John Deere đã trình diễn một chiếc xe robot tiện ích, được trang bị các bộ phận dẫn hướng dùng trong nông nghiệp thông dụng của Deere. Nó có thể điều khiển từ xa hoặc vận hành tự động nhờ phần mềm giúp phát hiện những trở ngại hoặc di chuyển xung quanh chúng hoặc đi theo hướng khác. Gần đây, AGCO và Topcon đã cùng nghiên cứu và công bố công nghệ cho xe tự động. Tuy nhiên, còn nhiều vấn đề hiện đang ngăn cản công nghệ này ứng dụng ngoài đồng ruộng như chi phí.
Mạng internet và máy tính di động
Mạng Internet, máy tính xách tay và điện thoại thông minh được phổ biến rộng rãi ở các vùng nông thôn, các loại xe, máy kéo nông trại, xe bán tải và văn phòng trong tương lai.
IPhone của Apple và điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành Android của Google đang trở thành những thiết bị truyền thông di động được nhiều nông dân lựa chọn. Máy tính di động chuyên dụng cho nông nghiệp tiếp tục dựa trên hệ điều hành Windows. Những thiết bị này cho phép cài đặt các ứng dụng trong nông nghiệp với các bộ xử lý tinh vi hơn, độ phân giải cao hơn.
Công nghệ RFID
Nhận dạng tần số vô tuyến (Radio frequency identification – RFID), đã được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi để xác định vật nuôi. Tuy nhiên, Jack Uldrich, một nhà nghiên cứu cho rằng, công nghệ này sẽ được mở rộng sang cây trồng. Anh cho biết: “Đó là những con chip máy tính thực sự nhỏ, cho phép người tiêu dùng theo dõi từng sản phẩm từ đầu đến cuối. Nhà tương lai học nói thêm rằng người tiêu dùng muốn biết nông dân trồng ngô và đậu nành như thế nào và người tiêu dùng sẽ có quyền truy cập vào tất cả các thông tin này”.
Động cơ SCR/EGR
Máy kéo và các phương tiện nông nghiệp khác đang hướng đến không khói. Các nhà sản xuất động cơ đã phải thiết kế lại động cơ diesel để tuân thủ các quy định tạm thời về phát thải ở mức TIER4 (IT4) của chính phủ. Các quy định yêu cầu cắt giảm các hạt, còn gọi là muội than, và các oxit nitơ hoặc “sương khói” mà có thể gây ra mưa axit.
Kết quả là, các nhà sản xuất đã đầu tư thời gian và tiền bạc vào thiết kế động cơ. Nông dân hiện đang nhận được một số lợi ích từ các động cơ theo tiêu chuẩn TIER 4, như giảm thời gian bảo trì, tiết kiệm nhiên liệu hơn và sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, tính trên lượng khí thải nguyên sơ. Điểm hạn chế của công nghệ là chi phí cao hơn từ 4 đến 9% so với giá của động cơ có mức phát thải TIER 3. Ngoài ra, nông dân sẽ thấy các máy kéo và động cơ chạy bằng diesel khác thay đổi thiết kế cho phép bổ sung thêm các bộ phận, chẳng hạn như bộ giảm xóc jumbo và bình chứa chất lỏng xanh blue.
Một trong hai công nghệ chế tạo động cơ mới được sử dụng để đáp ứng các quy tắc iT4: Tái tuần hoàn khí thải (Exhaust Gas Recirculation – EGR) hoặc Khử xúc tác chọn lọc (Selective Catalytic Reduction-SCR). Cả hai công nghệ này có thể sẽ cần để đáp ứng mức phát thải gần bằng không được yêu cầu vào năm 2014, là giai đoạn TIER 4 có hiệu lực.
Đặc tính chịu hạn
Phát triển các cây trồng chịu hạn cuối cùng cũng có kết quả. Các giống ngô lai đầu tiên có thể chịu hạn đang được bán trên thị trường. Giai đoạn tiếp theo của các giống chịu hạn sẽ bao gồm các đặc điểm biến đổi gen và sẽ xuất hiện vào giữa thập kỷ. Các nhà khoa học đang sử dụng công nghệ sinh học để thay đổi một trong nhiều yếu tố khác nhau liên quan đến sự phát triển của cây trồng trong điều kiện thiếu nước và nhiệt độ cao. Các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm các yếu tố chủ chốt mới để cải thiện năng suất trong điều kiện hạn hán. Ví dụ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Purdue gần đây đã phát hiện ra một đột biến di truyền cho phép cây trồng chịu được hạn hán tốt hơn mà không bị mất sinh khối. Phát hiện này có thể giúp làm giảm lượng nước cần thiết cho cây trồng.
Giao thông được kiểm soát
Ở một số nơi trên thế giới, các phương tiện chạy trên cùng một đường trên cánh đồng là chuẩn. Tuy nhiên ở Mỹ, hiện vẫn chưa coi đó là một phần của giải pháp tiềm năng nhằm làm giảm độ chặt của đất. đồng bộ hóa thiết bị để nó hoạt động trên cùng một tuyến đường là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát giao thông trên cánh đồng. Viacheslav Adamchuk, thuộc Đại học McGill cho biết họ đã có công nghệ lái tất cả các thiết bị trên cùng một tuyến đường mà không cần kỹ năng của người vận hành. Và các cánh đồng bây giờ ở dạng kỹ thuật số.
NMP (NASATI), Theo Farm Industrial News, 3/2017