農業は「精密農業」技術へと向かう

このストーリーはもともと Undark に掲載されたもので、 Climate Deskとのコラボレーションの一部です 。

ギリッシュ・チョウダリー氏の計画が実現すれば、中西部の農場では、いつかビーグル犬ほどの大きさのロボットが、キジを追い払う猟犬の群れのように畑に放たれるようになるだろう。彼によると、ロボットは多種多様な植物の涼しい日陰を走り回り、雑草を抜き、被覆作物を植え、植物の感染症を診断し、農家が農場を最適化するためのデータを収集するようになるという。

イリノイ大学の研究者であるチョウダリー氏は、世界で最も生産性の高い単一栽培作物の一つであるトウモロコシに囲まれた環境で研究を行っています。米国では、トウモロコシ産業は2021年に826億ドルと評価されましたが、農業経済の他のほぼすべての分野と同様に、気候変動、環境悪化、深刻な労働力不足、そして除草剤、殺虫剤、種子といった主要な投入資材のコスト上昇など、困難な問題に直面しています。

農業関連産業全体としては、人口増加による切実なニーズ、従来型農業の経済的現実、そして進歩するテクノロジーが重なり、投入物とそれに伴うコストや環境問題を最小限に抑えることを目指す精密農業と呼ばれるものが必要となる転換点に世界が達したと確信している。

農業のどの分野にも、ロボット工学と人工知能（AI）を、今日の農家が直面するほぼすべての問題の解決策として熱心に提唱する人々がいます。彼らのビジョンは、既存の農業慣行に技術を融合させるものから、トラクター、土壌、日光、天候、さらには屋外生活さえも農家の生活要素から排除する、農業の抜本的な見直しまで多岐にわたります。

しかし、精密農業の期待は未だ実現されていません。約束されたシステムのほとんどは市場に出回っておらず、最終的な価格もほとんど設定されておらず、その有効性を証明する実世界データもほとんどありません。

「精密農業は大きなインパクトをもたらすというマーケティングがありますが、それを裏付けるデータはまだありません」と、カナダのグエルフ大学地理・環境・測地情報学部の研究者であるエミリー・ダンカン氏は言います。「投入資材の使用量を削減したいという考え方に戻りますが、精密農業は必ずしも全体的な使用量が減ることを意味するわけではありません。」

それでも、ビーグル犬サイズのロボットを製造するアースセンス社の共同創業者兼最高技術責任者であるチャウダリー氏は、自社のロボットの導入によって、農家が精密農業をはるかに超えて、農業ビジネスを全く新しい視点で考えるようになることを期待している。彼によると、現在、ほとんどの農家は収穫量を重視し、同じ面積の土地でより多くの作物を生産することを成功と定義している。その結果、化学薬品で満たされた工業的な単一栽培が、巨大でますます高価な機械によって行われてきた。チャウダリー氏は、ロボットの助けを借りれば、小規模農家が自然とより調和した生活を送り、より少ない化学薬品でより価値の高い多様な作物を栽培する未来が来ると予測している。

「私たちにできる最大のことは、農家が収穫量だけでなく利益にも焦点を当てやすくすることです」と、チョウダリー氏はUndarkへのメールで述べた。「肥料や除草剤のコストを削減しながら、土地の質を向上させ、収穫量を維持する管理ツールは、農家が根本的に持続可能な技術を通じてより多くの利益を実現するのに役立つでしょう。」

チャウダリー氏のロボットは、トウモロコシと競合する雑草を抜くなど、農家のコスト削減に役立つ可能性がある。何世紀にもわたって、農家は鍬や鋤を使って雑草を駆除してきた。第二次世界大戦は近代化学産業の台頭を促し、そこで生産された除草剤によって農家は雑草を問題視しなくなり、トウモロコシなどの作物の土壌は不自然に裸地化し、1エーカーあたりの収穫量が大幅に増加した。これは農業経済に革命をもたらした。

しかし、自然は執拗であり、必然的に除草剤に耐性を持つ雑草が進化します。これを補うため、供給業者は強力でますます高価になる除草剤を混合し、種子を遺伝子組み換えして薬剤耐性を持たせます。こうした農業における軍拡競争は、農家をコスト上昇の悪循環に陥れ、貴重な水資源を脅かし、アイオワ州の農家アール・スリンカー氏が言うように、「1年間散布してみても何も起こらない」までしか効果がありません。スリンカー氏によると、その結果収穫量は減少し、利益率の低い農業においては壊滅的な打撃となりかねません。

すべての理論の根底にある疑問は、経済的かつ文化的なものである。農民は賛同するだろうか？

「課題は、農家にとってのメリットを実証し、導入しやすいようにすることです」と、イリノイ大学農業・消費者経済学部で技術導入を研究するマドゥ・カンナ氏は語る。「こうした技術の大半は、メリットが不透明です。」

農業の世界では、未来の農場をめぐる競争の行方は、冷静な経済的意思決定によって決まるというのが通説です。ロボット工学と人工知能がビジネスとして意味を成すなら、市場は発展するでしょう。「農家や生産者はその点について非常に賢明です」と、アイオワ州立大学レジリエント農業人工知能研究所のバスカー・ガナパティスブラマニアン氏は述べています。「ハードウェアとソフトウェアの観点から、明確な価値提案があれば、彼らはそれを選ぶでしょう」と彼は付け加えます。

この成長数字は、農家が先端技術の潜在的メリットを受け入れていることを示唆している。農家は2020年にトラクターなどの農機具に総額250億ドル近くを費やした。新型コロナウイルス感染症の影響でロボット導入は鈍化したが、世界中の農場では産業市場よりも速いペースでロボット技術を取り入れると予想されており、5年間でそれぞれ19.3%と12.3%の増加が見込まれる。世界的な調査会社MarketsandMarketsは、ロボットへの支出が2021年の約50億ドルから2026年には約120億ドルに増加すると予測している。米国の農業関連出版物CropLifeによると、こうした楽観的な見通しの1つの結果として、2021年第3四半期には農業技術の新興企業へのベンチャーキャピタル投資が過去最高の40億ドルを超えた。

「農業経験を持つ人があまりにも少ないのです」と、カルガリーのマウント・ロイヤル大学の農業史教授で教授のジョー・アンダーソン氏は言う。「実際よりも停滞していると思い込んでいます。実際には多くの革新があり、多くの変化がありました。」

肥沃な畑を巨大な農具を牽引するトラクターには、最先端の自動車さえも凌駕する技術が採用されている。多くのトラクターはGPSで操縦され、長年の植え付けや収穫の過程で作成された経路を辿るため、エアコンとビデオを備えたキャビンに乗った農夫は、乗客と大差ない。

「最初の一回だけ通せば、次の一回も同じように通るんです」と、アイオワ州グランディセンター郊外で500エーカーの農地を経営するスリンカー氏は言う。「キース・ジャレットの曲を少しかけて、あとは座って畑を横切るだけなんです」

秋になると、収穫機は同じ軌道に沿って自動で移動し、畑の1平方フィートごとに生産性を感知・記録します。このデータは、来年どのハイブリッド種子をどれだけ植えるべきか、その潜在能力を最大限に発揮させるにはどの程度の肥料を与えるべきか、そして収益性が低い小さな区画を特定するために活用されます。

「自律走行トラクターについてじっくり考えてみると、本当に大きな飛躍のように思えます」と、ジョンディアのテクノロジースタックイノベーショングループを率いるサラ・シンケル氏は2月の全国農業機械ショーで述べた。「しかし、よくよく考えてみれば、自動化がすでに私たちの機械にどれだけ取り入れられているかを考えると、それほど大きな飛躍ではないのかもしれません。」

ディア社は今年、同社初の完全自律走行トラクターを限定発売し、2023年以降にはより広範囲に展開する予定です。チョウダリー氏のような研究者が構想する小型ロボットとは対照的に、このトラクターは同社の人気モデル「モデル8R」（重量14トン）のリメイク版です。既存の農業ビジネスモデルにうまく適合しますが、導入のメリットがあるとはいえ、急速な移行は期待されていません。農業機械の寿命は、少なくとも自動車などの消費財と比べると驚くほど長いです。現代のトラクターは通常4,000時間稼働し、メンテナンスが行き届いているモデルであれば10,000時間、つまり約25年も使用できます。

「新しいロボット機器の導入に興味があると思っていても、実際には、お持ちの機器の減価償却と使用サイクルのどの段階にあるのかによって大きく左右されます」と、ミシガン州立大学農業・食品・資源経済学部のスコット・スウィントン名誉教授は述べています。「そのため、遺伝子工学や化学工学に比べて、導入のペースははるかに遅いのです。」

そしてもう一つ、批評家は、たとえロボットが広く導入されたとしても、従来の農業の根本的な欠陥の一部は解決できないだろうと指摘している。

「すべての人に食料を供給するという地球規模の課題を考えると、現在のシステムはそれを実現するようには設計されていません」とダンカン氏は言う。「解決策は、さらなる技術を投入することではなく、システムに疑問を投げかけることです。」

米国中西部のトウモロコシと大豆の畑作物セクターは、2020年に2,050億ドル以上の価値があった農業全体のほんの一部に過ぎません。その多くは、農家が園芸作物と呼ぶ果物、野菜、その他の農産物です。

「重要なのは、トウモロコシのように高度に機械化されている畑作物と、特別な処理を必要とする園芸作物との区別です」とスウィントン氏は言います。「園芸作物は価値が高く、設備への多額の投資にも耐えられます。野菜の除草、アスパラガスやブロッコリーの収穫ロボット、果樹の収穫ロボットなどです。これらはすべて、ある程度の熟練労働力を必要とする分野で、労働力の確保が難しい場合があります。」

問題は、人間にとっては容易な園芸作物の植え付けと収穫が、ロボットを困惑させてしまうことだ。カーネギーメロン大学ロボティクス研究所の研究教授、ジョージ・カンター氏は、農場をロボットに適応させるには変革が必要だと指摘する。彼は、リンゴを摘むという平凡な行為を考えてみようと提案する。人間の労働者がほとんど何も考えずに行えることは、機械にとってほぼ不可能だ。果物の一つ一つを見つけ、熟度を測り、絡み合った葉や枝の間から手を伸ばして木から優しく摘み取る。ロボットを訓練するよりも、木を訓練する方が簡単だとカンター氏は言う。リンゴの場合、それは果樹園を彼が「果樹の壁」と呼ぶものに彫刻することを意味する。

「彼らの樹冠は、本質的に二次元的な物体となるように訓練されているんです」とカンター氏は言う。「まるでリンゴの房がぶら下がっている壁のようです。おじいさんのリンゴの木を収穫できるような、樹冠の中に手を伸ばしてリンゴを摘み取れるような機械は私たちには存在しません。でも、この果実のなる壁なら、ずっと簡単な問題なんです。」

農業労働力不足が最も深刻な地域では、ロボット技術が最も急速に普及しています。ニューメキシコ州立大学の酪農普及専門家で教授のロバート・ハゲボート氏は、酪農の特性上、酪農の労働力不足は農業の中でも最悪レベルだと指摘します。牛は毎日2回搾乳する必要があるため、若い世代が職業を選択する際には受け入れにくいライフスタイルとなっているとハゲボート氏は指摘します。労働力不足は酪農家数の減少に拍車をかけています。

「場所によっては、農業用にエーカー単位で土地を買った生産者の一部が、不動産開発のために平方フィート単位で土地を売ってしまうこともある」と彼は言う。

ロボット技術は一部の酪農家に救いの手を差し伸べてきました。しかし、小規模で地域密着型の家族経営という理想とは裏腹に、ロボット技術は酪農を大規模経営へと押し進めています。

「私の父のように、自分のやりたいことをやりたいから農業を始めたのなら、それはもう時代遅れです」と、コーネル大学の農業経済学教授、クリストファー・ウルフ氏は言う。「もはや、農業はもはや必要な仕事ではありません。求められるスキルは異なります。経営チームの一員となるのです。」

ウルフ氏がウィスコンシン州で育った時代は、150頭の牛は大きな群れでしたが、それでも大家族で管理できる規模でした。酪農にロボットを導入することで、トウモロコシや大豆などの畑作物を工業化したのと同じ規模の経済効果が生まれます。1台の搾乳ロボットで60頭以上の牛を世話でき、2台目の搾乳ロボットは1台目よりも安く、3台目は2台目よりも安くなります。高度なミルキングパーラーでは、数十台の搾乳ロボットを連携させ、数人の技術者が予測可能な8時間シフトで牛とほとんど接触することなく管理できます。

「そういう環境であれば、休暇も取れます」とウルフ氏は言う。「私が育った頃、20年間も休暇を取っていない酪農家を何人か知っていました。」

ロボット農業の最先端にいるのは、伝統的な農業のほぼあらゆる側面を完全に放棄する開発者たちだ。ビル・ゲイツのブレークスルー・エナジー・ベンチャーズ・ファンドから5,300万ドルの資金注入を受けたばかりのカリフォルニアのスタートアップ企業、アイアン・オックスは、完全に管理された屋内環境で高価値の新鮮な農産物を栽培している。

「農業の一部を自動化するアプローチの多くは、1台のロボットに1つの作業を実行させるというものです」と、同社のCEOであるブランドン・アレクサンダー氏は語る。「それが成功しなかった理由は、結局のところ、植物は複雑な存在だからです。本当に自動化しようとするなら、プロセス全体をゼロから設計し、自動化できるようにしなければなりません。」

それは、おそらく最初に、変化すべき伝統がほとんどなく、既存の技術基盤が極めて小さく、潜在的な収益率が高い農業分野で起こるでしょう。これは、まだ発展途上の大麻産業を的確に表現しています。合法大麻はすでに米国で5番目に価値の高い作物であり、生産者は従来の農家とは異なる方法で新しい技術を導入しています。

「作物の生産方法を過去から振り返る強い偏見はありません」とカンター氏は言う。「もう一つの重要な点は、もちろん、私たちが話しているのは高価値作物だということです。ブドウも葉物野菜も高価値作物ですが、大麻は全く別のレベルにあります。大麻は多くの興味深い技術を牽引するでしょう。」

イリノイ大学の研究によると、トウモロコシと大豆の生産に必要な種子、肥料、除草剤、その他の農業資材のコストは、2020年から2022年の作付けシーズンの間に30%以上上昇すると推定されています。この研究では、トウモロコシの1エーカー当たり収益（粗利益にほぼ相当）は、2022年には378ドルから61ドルに低下すると予測されています。

「農家の視点から言えば、彼らは支援が必要だと認識しています」とアレクサンダー氏は言う。「平均的な農家は、増加する人口に食料を供給するためには、かなり抜本的な変化が必要だと認識しています。」

しかし、カンザス州立大学の耕作システム経済学者テリー・グリフィン氏によると、経済学者は農家が企業のように行動すると想定しすぎているが、実際には農家は消費者のように行動することが多いという。「人によって価値の尺度は異なります」とグリフィン氏は言う。「純利益を最大化することを目指す農場経営者もいれば、最新の機器や最高の環境指標を求める農場経営者もいます。一人ひとりにとって、価値提案は異なるのです。」

カナ氏は、しばしば忘れられがちなもう一つの要因、つまり消費者の認識を挙げています。例えば、消費者が今日のように大量の農薬を使わずに生産される農作物をもっと求め始めれば、ロボット技術の導入が促進される可能性があります。

「私たちは消費者を過小評価しています」と彼女は、この市場の創出において消費者が果たせる役割について言及した。「持続可能な方法で生産された農産物への需要が高まるにつれて、農家の行動を記録する動きがさらに進むでしょう。政策もその一因となるでしょうが、変化の多くは消費者と市場の圧力によってもたらされるでしょう。」

「将来、農業のモデルが一つになるとは思いませんが、工業化農業モデルからの脱却が求められています」と、ロンドンにあるトニー・ブレア地球変動研究所の政策アナリスト、ハーマイオニー・デイス氏は語る。「伝統的な農業は今後も存続するでしょうが、その規模は縮小していくでしょう。ロボット技術は、伝統的な農家がより正確に資材を投入し、農業の環境負荷を軽減するとともに、コスト削減にも役立つでしょう。」

公共政策シンクタンク、ランド研究所の上級情報科学者ニディ・カルラ氏は、農業の現状は、新技術導入の定式化であるガートナー社のハイプサイクルを彷彿とさせると述べている。「基本的に、新技術が登場し、夢が膨らみすぎるが、その技術が失敗し、人々はそれをゴミだと言う。そして、その谷から抜け出すと、その技術は世界で役立つものになり始める」

もし彼女の言う通りなら、農業におけるロボットによる未来のユートピアに対する今日の興奮した期待は、世界を変えるようなアイデアがほとんど実現しないことで、必然的に幻滅に変わるだろう。

カンター氏は、ロボットの波はすでに3、4回来ていると考えている。1950年代、ウォルト・ディズニーはトゥモローランドを創造した。これは、人間に非常に近いロボットが将来何をするのかを初めて鮮やかに示した作品だ。これは大きな反響を呼んだが、その時代に生まれたのは、工場の床に固定され、単調な作業だけをこなす産業用ロボットだった。それ以来、ほぼ10年ごとに、より広い可能性を切り開く新たな技術が登場してきた。カンター氏は、パーソナルコンピューター、ATM、ショッピングキオスクなどを例に挙げている。

「今、私たちは自動運転車と農業の波に乗っていますが、いずれ引いていくでしょう」と彼は言う。「私はこれを潮の満ち引き​​に例えています。波が浜辺に打ち寄せ、大きな盛り上がりが起こります。そして波が引くと、一つか二つのものが残され、それが役に立つのです。」

最終的には農家が何を選択するかにかかっています。アイオワ州の農場で、スリンカー氏は自分はごく普通の人間だと考えています。最先端の技術に精通しているわけではありませんが、自分にとって理にかなったこと、そして知り合いの農家がうまくいっているのを見てきた方法を採用しています。しかし、完全に合理的ではない場合でも、いくつかのことは残すつもりです。

そのため、農場経営に使う最新設備に加え、彼は父親が使っていた古いトラクターも大切に保管している。農場よりも研究室や会議室で過ごす時間の方が長い人々が、彼のために行っている数十億ドル規模の計算には、このトラクターは含まれていないかもしれないが、含まれているべきだ。大型で高価なトラクターに長時間運転させずに、少量の荷物を運ぶのに便利だ。そして、このトラクターはスリンカー氏に、そもそもなぜ農業を始めたのかを思い出させてくれると言い、そのトラクターを大切にしていきたいと考えている。