Xu hướng phát triển nông nghiệp thông minh tại các quốc gia tiên tiến trong 10 năm qua
Năm 2015, tổ chức dự báo và lập kế hoạch của chính phủ liên bang Canada đã công bố tài liệu "MetaScan3: Bản đồ công nghệ mới nổi và thông tin liên quan". Tài liệu này chỉ ra rằng các cảm biến đất và cây trồng, công nghệ sinh trắc học trong chăn nuôi, và robot nông nghiệp sẽ làm thay đổi các phương pháp sản xuất nông nghiệp truyền thống trong vòng 5 đến 10 năm tới.
Cũng năm 2015, Nhật Bản đã khởi động dự án “Công nghệ sáng tạo trong ngành nông, lâm, ngư nghiệp thế hệ mới dựa trên máy móc thông minh và công nghệ thông tin thông minh”. Nội dung cốt lõi của dự án là sự kết hợp giữa công nghệ thông tin và thiết bị thông minh.
Năm 2017, Hiệp hội Công nghiệp Máy móc Nông nghiệp châu Âu đã đề xuất kế hoạch "Nông nghiệp 4.0", nhấn mạnh rằng nông nghiệp thông minh là hướng phát triển tương lai của ngành nông nghiệp tại châu Âu.
Năm 2018, Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ và Viện Hàn lâm Khoa học Y khoa Hoa Kỳ đã công bố báo cáo "Những đột phá trong khoa học thực phẩm và nông nghiệp hướng tới năm 2030". Báo cáo nêu bật các hướng phát triển của các công nghệ như cảm biến, khoa học dữ liệu, trí tuệ nhân tạo và blockchain, đồng thời thúc đẩy tin học hóa trong lĩnh vực nông nghiệp và thực phẩm.
Trong "Kế hoạch chiến lược nghiên cứu và phát triển trí tuệ nhân tạo quốc gia", Hội đồng Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NSTC) Hoa Kỳ đã đưa nông nghiệp vào danh sách lĩnh vực ưu tiên thứ 10 để phát triển ứng dụng trí tuệ nhân tạo, kèm theo tài trợ cho nghiên cứu và phát triển công nghệ trí tuệ nhân tạo nông nghiệp trong trung và dài hạn.
"Kế hoạch chiến lược 2018-2022" của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ cũng nhấn mạnh việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo, tự động hóa và công nghệ cảm biến từ xa trong nông nghiệp. Theo phân tích của công ty tư vấn quốc tế Research and Markets, giá trị thị trường nông nghiệp thông minh toàn cầu là 16,7 tỷ đô la Mỹ vào năm 2019 và dự kiến đạt 29,2 tỷ đô la Mỹ vào năm 2027, với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt 9,7% từ năm 2021 đến năm 2027.
Hiện nay, có thể nói, dẫn đầu về nông nghiệp thông minh quy mô lớn trên thế giới là nước Mỹ, chăn nuôi thông minh do Đức đại diện, sản xuất nhà kính thông minh do Hà Lan dẫn dắt, và ngành thiết bị thông minh quy mô nhỏ do Nhật Bản đại diện. Các lĩnh vực này đã đạt được nhiều tiến bộ vượt bậc, phát triển công nghệ và sản phẩm khá hoàn thiện, đồng thời phát triển các mô hình thương mại, mang lại kinh nghiệm quý báu cho sự phát triển nông nghiệp thông minh ở các quốc gia khác.
Tiềm năng của cảm biến trong nông nghiệp thông minh
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cho nền nông nghiệp thông minh, góp phần thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực này. Hiện nay, cảm biến nông nghiệp chủ yếu bao gồm các loại cảm biến thông tin môi trường, về động thực vật, cảm biến thông tin chất lượng và an toàn sản phẩm nông nghiệp, cũng như cảm biến điều kiện vận hành và hoạt động của máy móc nông nghiệp.
Trong những năm gần đây, đã có nhiều đột phá về nguyên lý, công nghệ, vật liệu và quy trình mới trong phát triển cảm biến nông nghiệp. Sự chuyển biến này đánh dấu việc chuyển từ các cảm biến vật lý đơn giản sang những cảm biến có khả năng nhận diện nhanh chóng thông tin hóa học và sinh học. Sự phát triển của các công nghệ vật liệu mới, như công nghệ nano, đã cho phép cảm biến trở nên nhỏ gọn, thông minh và đa dạng hơn.
Ví dụ, Hoa Kỳ đang phát triển ứng dụng công nghệ quang phổ cảm ứng laser để đo hàm lượng chất dinh dưỡng trong đất và kim loại nặng. Đồng thời, họ cũng sử dụng công nghệ micro-nano để phát triển các cảm biến có khả năng xâm nhập vào hệ thống tuần hoàn trao đổi chất của thực vật và động vật. Nhìn chung, các quốc gia như Hoa Kỳ, Đức và Nhật Bản đang giữ vị trí hàng đầu trong lĩnh vực cảm biến nông nghiệp, độc quyền các sản phẩm kỹ thuật liên quan như linh kiện cảm biến, cảm biến môi trường nông nghiệp cao cấp, cảm biến thông tin về động thực vật, và thiết bị kiểm tra chất lượng sản phẩm nông nghiệp trực tuyến.
Trong 5 đến 10 năm tới, nghiên cứu và phát triển các cảm biến và cảm biến sinh học chính xác, có độ chính xác cao và tính di động sẽ trở thành lĩnh vực đổi mới và phát triển trọng điểm trong cảm biến nông nghiệp ở nhiều quốc gia. Các loại cảm biến này không chỉ có khả năng liên tục theo dõi nhiều thông số đặc trưng về môi trường và đời sống thực vật, động vật mà còn giám sát các yếu tố căng thẳng môi trường, sinh học và phi sinh học.
Thiết bị này có khả năng phát hiện bệnh trước khi thực vật và động vật bị nhiễm bệnh, giúp phát hiện và theo dõi nhanh chóng nhiều chỉ số liên quan đến thực phẩm và nông nghiệp. Chẳng hạn, các cảm biến nano linh hoạt có thể được gắn dễ dàng và thuận tiện vào các bề mặt không bằng phẳng của mô động vật và thực vật để theo dõi thông tin một cách chính xác. Các cảm biến ở cấp độ micro-nano có khả năng được cấy ghép vào các sinh vật như thực vật và động vật, cho phép theo dõi thông tin sinh học trong thời gian thực.
Ngoài ra, mảng cảm biến nano có khả năng phát hiện và phân tích đa chức năng, kết hợp với khả năng xử lý, lưu trữ và phân tích dữ liệu mạnh mẽ cùng với mạng lưới cảm biến. Điều này cho phép phân tích và xử lý dữ liệu phức tạp từ xa, giúp nâng cao độ chính xác của kết quả giám sát.
Phân tích dữ liệu lớn (big data) trong nông nghiệp
Trên phạm vi quốc tế, thông qua công nghệ nhận dạng hình ảnh, máy học và các công nghệ tiên tiến khác, một lượng lớn dữ liệu có cấu trúc và không có cấu trúc trong lĩnh vực nông nghiệp (bao gồm dữ liệu về thời tiết, đất đai, sự tăng trưởng và phát triển của thực vật và động vật, dữ liệu thị trường, và thông tin từ phương tiện truyền thông xã hội) được chuyển đổi thành kiến thức. Điều này cung cấp khả năng ra quyết định thông minh, có thể thay thế một phần hoặc toàn bộ quy trình ra quyết định thủ công. Nhờ đó, thời gian được tiết kiệm, an toàn được tăng cường, đồng thời giảm thiểu các lỗi tiềm ẩn của con người, cải thiện đáng kể tính khoa học và độ chính xác trong quá trình ra quyết định.
Nhờ vào năng lực và trình độ nghiên cứu cơ bản mạnh mẽ, các quốc gia như Hoa Kỳ, Hà Lan, Israel và Nhật Bản đang dẫn đầu thế giới về công nghệ, thuật toán và các lĩnh vực khác liên quan đến mô hình và mô phỏng kỹ thuật số trong nông nghiệp, điện toán nhận thức nông nghiệp, khám phá kiến thức nông nghiệp, cũng như công cụ dịch vụ tương tác trực quan.
Chẳng hạn, trang trại thẳng đứng Newark ở New Jersey, Hoa Kỳ, sử dụng công nghệ big data để phân tích nhiệt độ, độ ẩm, carbon dioxide và thông tin về sự phát triển của cây trồng. So với các trang trại truyền thống, phương pháp này giảm 95% lượng nước và 50% lượng phân bón sử dụng trên diện tích 0,093 mét vuông, không sử dụng thuốc trừ sâu và đạt sản lượng hàng năm cao hơn 390 lần. Tương tự, Đại học Tuscia ở Ý áp dụng big data và trí tuệ nhân tạo để thúc đẩy quá trình nghiên cứu lai tạo các loại cây trồng thích nghi với khí hậu, từ đó có thể định hình lại các trang trại trong tương lai.
Xét một cách toàn diện, trong tương lai, các quyết định dựa trên kiến thức được thúc đẩy bởi big data sẽ dần thay thế các quyết định dựa trên kinh nghiệm thủ công. Việc kiểm soát thông minh được chi phối bởi các quyết định này sẽ thay thế những phương pháp kiểm soát thời gian đơn giản. Toàn bộ chuỗi ngành nông nghiệp, từ khâu chăn nuôi đến tiêu thụ sản phẩm, sẽ được áp dụng rộng rãi công nghệ này.
Sự phát triển nhanh chóng của thiết bị nông nghiệp thông minh
Hoạt động nghiên cứu và ứng dụng thiết bị nông nghiệp thông minh ở các quốc gia như Hoa Kỳ, Đức, Anh và Nhật Bản đã phát triển nhanh chóng. Các hoạt động sản xuất nông nghiệp chính, bao gồm ghép cây ăn quả, cấy ghép, phun thuốc trừ sâu, thu hoạch, cho gia súc gia cầm ăn, vắt sữa bò, phân loại trực tuyến, dán nhãn và đóng gói sản phẩm nông nghiệp, đã hoặc đang hiện thực hóa các quy trình "thay thế máy móc" hoặc "hoạt động không người lái". Điều này giúp cải thiện đáng kể năng suất lao động và hiệu quả sử dụng tài nguyên nông nghiệp.
Chẳng hạn, robot hái táo do Abundant Robotics phát triển tại Hoa Kỳ có khả năng xác định chính xác táo chín và hoạt động liên tục trong 24 giờ, với tốc độ hái trung bình 1 quả táo mỗi giây. Tương tự, robot làm cỏ đồng ruộng do EcoRobotix phát triển tại Thụy Sĩ có thể nhận diện chính xác cỏ dại và phun thuốc diệt cỏ thông qua cánh tay robot, giúp giảm lượng thuốc trừ sâu sử dụng xuống 20 lần và tiết kiệm 30% chi phí liên quan đến nông nghiệp. Ngoài ra, robot phun thuốc trừ sâu do MagGrow phát triển tại Ireland sử dụng nam châm đất hiếm vĩnh cửu để tạo ra điện tích từ, giải quyết vấn đề thuốc trừ sâu trôi dạt và giảm lượng thuốc trừ sâu sử dụng từ 65% đến 75%.
