Μία από τις μεγάλες προκλήσεις του 21ου αιώνα θα είναι η προσφορά τροφίμων.
Με βάση την προβλεπόμενη αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού από τα Ηνωμένα Έθνη, η ποσότητα της διαθέσιμης τροφής για την επαρκή διατροφή των ανθρώπων του κόσμου πρέπει να αυξηθεί κατά 25-70% έως το 2050.
Αυτή η τεράστια ανάπτυξη παρουσιάζει σημαντικά εμπόδια. Το ένα θα είναι η εντατικοποίηση που ασκείται στη γεωργία και οι συνακόλουθες επιπτώσεις στο περιβάλλον και τους φυσικούς πόρους. Ήδη, η γεωργία συμμετέχει στο 15% περίπου των ανθρωπογενών εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, οι οποίες υπολογίζεται να αυξάνονται καθώς απαιτείται περισσότερη ζήτηση από τους αγρότες.
Ένας φοιτητής μηχανικής Northwestern προσπαθεί να βοηθήσει.
Για το ανεξάρτητο έργο μελέτης του στη μηχανολογία, ο Senior Shane Dolan (’22) έχει σχεδιάσει και κατασκευάσει το OptiAg, έναν ευφυή ελεγκτή κρουνών-ψεκαστήρων με δυνατότητα Internet για μεγάλες γεωργικές εργασίες. Χρησιμοποιώντας δορυφορικές εικόνες και δεδομένα αισθητήρων, το σύστημα αξιολογεί την υγεία των καλλιεργειών σε ένα χωράφι. Με βάση αυτές τις πληροφορίες, χωρίζει ένα χωράφι σε μικρές περιοχές και υπαγορεύει ποιες χρειάζονται περισσότερο νερό. Μάλιστα, τα ειδικά ακροφύσια που ανέπτυξε επιτρέπουν την ακριβή εφαρμογή του νερού μόνο όπου χρειάζεται.
Αφού εργάστηκε τα δύο τελευταία τρίμηνα, ο Dolan κατασκεύασε ένα μοντέλο λογισμικού και ένα πρωτότυπο και βρήκε πιθανή εξοικονόμηση νερού περίπου 10-13 τοις εκατό για ορισμένες καλλιέργειες, που μεταφράζεται σε σχεδόν 130 $ ανά στρέμμα σε εξοικονόμηση για κάθε χρόνο στις δοκιμαστικές περιπτώσεις εδώ. Σωρευμένοι σε ένα τυπικό χωράφι τετραγωνικών μιλίων, οι αγρότες μπορούσαν να δουν εξοικονομήσεις της τάξης των 65.000 $ ετησίως.
«Αυτό επιτρέπει τη χρήση της βέλτιστης ποσότητας νερού, αποφεύγοντας τη σπατάλη πόρων και το κόστος που σχετίζεται με το υπερβολικό πότισμα», είπε ο Dolan. «Ο σχεδιασμός που κατέληξα είναι μετασκευασμένος και οι αγρότες μπορούν εύκολα να αναβαθμίσουν τα υπάρχοντα συστήματά τους για να αξιοποιήσουν την εξοικονόμηση πόρων χωρίς σημαντικές αλλαγές στον υπάρχοντα εξοπλισμό τους ή μεγάλα εμπόδια κόστους».
Αγροτική έμπνευση
Η ιδέα, όμως, δεν ήρθε από το πουθενά. Ο Dolan μεγάλωσε στα προάστια της Οκλαχόμα Σίτι και ήρθε σε επαφή με τη γεωργία σε νεαρή ηλικία. Έχει συγγενείς που είναι αγρότες και ο Ντόλαν είδε τις προκλήσεις τους από πρώτο χέρι.
Μετά το πρώτο του έτος στο Northwestern, ο Dolan εργάστηκε σε μια μικρή γεωργική startup που ονομάζεται MADTECH Modern Agronomy, μια εταιρεία που χρησιμοποιούσε drones σταθερής πτέρυγας για να χαρτογραφήσει τα χωράφια για να επιτρέψει στους αγρότες να δουν πώς έμοιαζαν οι καλλιέργειές τους από τον ουρανό σε πραγματικό χρόνο.
Ο Dolan βελτίωσε αυτή την ιδέα συνδυάζοντάς την με την εκπαίδευσή του στο McCormick School of Engineering για τη χρήση δορυφορικών εικόνων για την ανίχνευση της φωτοσύνθεσης. Το πρωτότυπο μοντέλο του Dolan διαμορφώνει την υγεία των καλλιεργειών και ενεργεί σε αυτήν συνδυάζοντας την ανάλυση χαρτογράφησης με μια επί τόπου λύση υλικού για να ωφεληθούν σημαντικά οι αγρότες.
Η ιδέα ξεκίνησε για πρώτη φορά κατά τη διάρκεια του δεύτερου έτους του Dolan στο Northwestern Engineering, όταν άρχισε να εξερευνά τον κώδικα για τη λήψη δορυφορικών εικόνων και κατάλαβε πώς να το μεταφράσει σε δεδομένα καλλιέργειας. Αλλά λόγω των σχολικών υποχρεώσεων, ο Dolan δεν είχε χρόνο να το εμπλουτίσει μέχρι το τέταρτο έτος του, όταν ζήτησε από τον καθηγητή Michael Peshkin να του επιτρέψει να το ακολουθήσει για το ανεξάρτητο πρόγραμμα σπουδών του.
Η πρόταση του Ντόλαν ξεπέρασε τα όρια
«Ήταν πραγματικά διεξοδικό, και μπήκε ήδη γνωρίζοντας την αγορά», είπε ο Peshkin, Ανώτερος Καθηγητής Σχεδιασμού και Καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών. «Λόγω της αγροτικής του εμπειρίας, ο Shane είχε ερευνήσει αρκετά αυτήν την περιοχή».
Το λογισμικό ήταν η πρώτη εργασία που αντιμετώπισε ο Ντόλαν. Άρπαξε κώδικα που μπορούσε να κατεβάσει εικόνες από δορυφόρους της NASA και μπόρεσε να επεξεργαστεί αυτές τις πληροφορίες σε ψηφιακούς χάρτες. Αυτοί οι χάρτες θα μπορούσαν στη συνέχεια να εξάγουν σετ οδηγιών για τις βαλβίδες.
Στη μελέτη του για την προηγούμενη τέχνη, ο Dolan ανακάλυψε ότι υπήρχαν κάποιες παρόμοιες λύσεις στην αγορά. Οι μεγάλες μάρκες στην αγορά του κέντρου περιστροφής πωλούν μόνο συστήματα άρδευσης μεταβλητού ποσοστού με νέα συστήματα και ακριβές ετήσιες συνδρομές. Το υλικό των ανταγωνιστών απαιτεί σημαντική επένδυση, η οποία είναι ανέφικτη για πολλούς. Το υλικό χαμηλού κόστους, η μεταγενέστερη λειτουργικότητα και η καθολικότητα μειώνουν την επένδυση για το σχεδιασμό της Dolan επιτρέπουν στους αγρότες να πραγματοποιήσουν υψηλότερα ποσοστά απόδοσης.
Οι βαλβίδες της Dolan έχουν σχεδιαστεί για να είναι εκ των υστέρων προσαρμογές για υπάρχοντες κεντρικούς περιστροφικούς ποτιστές, οι οποίοι έχουν εκατοντάδες κεφαλές καταιονισμού σε μήκος βραχίονα έως και μισό μίλι. Οι έξυπνες κεφαλές καταιωνιστήρων του είναι αντικαταστάτες με βίδες για τις υπάρχουσες κεφαλές καταιωνιστήρων. Η Dolan τα πρωτοτύπησε με εξαρτήματα ψεκαστήρα εκτός ραφιού και υπολογιστικές πλακέτες με δυνατότητα WiFi.
Ο Dolan τα έφτιαξε σε ένα breadboard και δοκίμασε τον κώδικα που έγραψε, πριν τελειοποιήσει περαιτέρω τη συσκευασία σε ένα περίβλημα που θα μπορούσε να τοποθετηθεί σε ένα κομμάτι του εξοπλισμού. Ο Dolan εντόπισε ένα ποικίλο σύνολο απαιτήσεων σχεδιασμού για να χειριστεί τις σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες που παρατηρούνται στη γεωργία. Οι βαλβίδες του πρέπει να λαμβάνουν οδηγίες και να λειτουργούν αξιόπιστα σε δύσκολα κλίματα σε όλο τον κόσμο. Μερικά μεταγενέστερα πρωτότυπα που κατασκεύασε δοκιμάστηκαν σε ακραίες θερμοκρασίες και καιρικές συνθήκες.
Προς το παρόν, το υλικό χειρός έχει αναπτυχθεί πλήρως. Το επόμενο βήμα είναι να βρεθεί κάποιος που θα αφήσει τον Dolan να δοκιμάσει τη συσκευή του.
Τα πιθανά οφέλη του OptiAg
Πέρα από το να βοηθά απλώς τους αγρότες να καλλιεργούν τρόφιμα, το σύστημα θα μπορούσε να αντιμετωπίσει τις ελλείψεις νερού που φαίνεται να αποτελούν πρόβλημα καθώς ο πλανήτης προσπαθεί να θρέψει όλο και περισσότερους ανθρώπους. Όταν το νερό δεν χρησιμοποιείται αποτελεσματικά, προκαλεί υπερβάσεις κόστους. Η σπατάλη νερού προκαλεί επίσης ξηρασίες και ελλείψεις.