Nghiên cứu tiềm năng ứng dụng AI trong quản lý cỏ dại

Triển vọng và những hạn chế tiềm ẩn của công nghệ kiểm soát cỏ dại

Các hệ thống laser ứng dụng trí tuệ nhân tạo, máy làm cỏ bằng robot và thiết bị phun thuốc chính xác có thể tạo ra bước đột phá trong quản lý cỏ dại. Tuy nhiên, một bài tổng quan nghiên cứu gần đây của Đại học Mississippi và Đại học Cornell cho thấy những công nghệ này cũng đặt ra các thách thức về chi phí và sinh thái.

Đồ họa: Sarah Tewolde/Phòng Tiếp thị và Truyền thông, Đại học Mississippi.

Những tiến bộ trong công nghệ quản lý cỏ dại có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào thuốc trừ cỏ và lao động thủ công. Tuy nhiên, trong một bài tổng quan mới của các nhà khoa học thuộc Đại học Mississippi và Đại học Cornell cho thấy những công nghệ này cũng đi kèm với chi phí cao và nhiều thách thức tiềm ẩn.

Ông Stephen Duke, giáo sư nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Sản phẩm Tự nhiên Quốc gia, thuộc Đại học Mississippi (Ole Miss), nhận định rằng công nghệ laser, robot và thiết bị phun thuốc chính xác có thể mở ra "cuộc cách mạng thứ ba" trong quản lý cỏ dại.

"Trong 100 năm qua đã có hai cuộc cách mạng trong công tác phòng trừ cỏ dại: Thuốc trừ cỏ tổng hợp và các giống cây trồng có khả năng kháng thuốc trừ cỏ", ông Duke cho biết. "Theo tôi, quản lý cỏ dại chính xác ứng dụng trí tuệ nhân tạo sẽ là cuộc cách mạng tiếp theo".

"Công nghệ này có tiềm năng thay đổi sâu sắc phương thức quản lý cây trồng của chúng ta", ông Duke nhận định.

Trong một bài tổng quan đăng trên tạp chí Engineering, ông Stephen Duke và bà Lynn Sosnoskie, phó giáo sư tại Trường Khoa học Thực vật Tích hợp thuộc Đại học Cornell đã phân tích những lợi ích tiềm năng và các thách thức trong ứng dụng robot để quản lý cỏ dại. Nghiên cứu tập trung vào ba công nghệ mới nổi: Công nghệ laser điều khiển bằng trí tuệ nhân tạo, máy làm cỏ bằng robot và thiết bị phun thuốc chính xác.

Cả ba công nghệ được đề cập trong nghiên cứu đều sử dụng phương pháp phân tích hình ảnh theo thời gian thực để phát hiện cỏ dại giữa các hàng cây trồng. Khi phát hiện cỏ dại, thiết bị có thể tiêu diệt chúng bằng chùm tia laser công suất cao, phun thuốc trừ cỏ hoặc loại bỏ cỏ bằng biện pháp cơ học.
Theo Sosnoskie, có nhiều lý do để nghiên cứu các công nghệ thay thế trong quản lý cỏ dại. Một trong số đó là vấn đề an toàn đối với cây trồng. Bà cho biết: “Tôi nghiên cứu trong lĩnh vực cây trồng chuyên biệt, trong đó có rau và cây ăn quả có thể rất mẫn cảm với các biện pháp sử dụng thuốc cỏ. Những biện pháp này có thể làm chậm quá trình cây mọc lên khỏi mặt đất, gây tổn thương hoặc khiến cây sinh trưởng còi cọc. Chúng ta vẫn chấp nhận một mức độ tổn thương nhất định ở cây trồng vì kiểm soát cỏ dại là yêu cầu quan trọng hơn nhiều. Tuy nhiên, với công nghệ chính xác, chúng ta có thể hạn chế để thuốc cỏ tiếp xúc với cây trồng, thậm chí trong một số trường hợp có thể ngăn hoàn toàn tiếp xúc với cây trồng".

Theo ông Duke, đối với những nông dân canh tác hữu cơ không sử dụng thuốc trừ cỏ tổng hợp, công nghệ laser và làm cỏ bằng robot có thể giúp kiểm soát cỏ dại trên những cánh đồng rộng lớn mà không cần quá nhiều lao động thủ công.

"Nông dân canh tác hữu cơ hiện chưa có các công cụ kiểm soát cỏ dại hiệu quả", ông Duke cho biết. "Họ chủ yếu dựa vào lao động thủ công, trong khi chi phí thuê lao động ngày càng tăng và việc tìm kiếm lao động cũng ngày càng khó khăn".

Việc giảm lượng thuốc trừ cỏ sử dụng cũng có thể giúp giảm phơi nhiễm hóa chất tại các trang trại. Các nghiên cứu cho thấy việc phun một lượng lớn thuốc trừ cỏ lên cây trồng hằng năm có thể gây tổn hại đến hệ sinh thái địa phương.

"Công nghệ này cũng có thể mang lại lợi ích cho những người làm việc tại các trang trại", bà Sosnoskie cho biết. "Giảm phơi nhiễm hóa chất, bảo vệ người lao động, có khả năng giảm dư lượng thuốc trên nông sản và giảm lượng hóa chất phát tán ra môi trường là những giá trị và lợi ích đáng kể khi áp dụng công nghệ này".

Mặc dù mang lại nhiều triển vọng, các công nghệ quản lý cỏ dại mới vẫn tồn tại những hạn chế đáng kể trong đó nổi bật là chi phí đầu tư. Một số hệ thống làm cỏ cơ giới và robot thương mại có giá khoảng 75.000 USD trở lên, trong khi các hệ thống làm cỏ bằng laser có thể có giá vượt quá 1 triệu USD.

Ông Duke chia sẻ: "Tôi có một người quen ở Đức làm tư vấn cho nông dân châu Âu. Người này biết một nông dân sản xuất hữu cơ tại Hà Lan đã mua một robot làm cỏ bằng laser với giá hơn 1 triệu USD. Thiết bị giúp người nông dân giảm được rất nhiều công sức và phiền toái trong quá trình sản xuất, đến mức ông ấy quyết định mua thêm chiếc thứ hai. Tuy nhiên, không phải ai cũng có điều kiện làm như vậy.

Một số nông dân trồng các loại cây có giá trị kinh tế cao có thể đầu tư khoản tiền lớn như thế nhưng nhiều người khác thì không".Theo các nhà nghiên cứu, mặc dù giá các thiết bị phun thuốc trừ cỏ chính xác hơn có thể sẽ giảm khi ngày càng có nhiều người áp dụng công nghệ này, việc sử dụng chúng vẫn có thể tiềm ẩn nguy cơ thúc đẩy quá trình tiến hóa và sự lan rộng của cỏ dại kháng thuốc trừ cỏ. Các nhà nghiên cứu cũng cho biết, nhiều nông dân đang phải đối mặt với tình trạng cỏ dại kháng thuốc trừ cỏ. Việc giảm lượng thuốc sử dụng kết hợp với công nghệ phun thuốc chính xác khó có thể giải quyết triệt để vấn đề này.

"Điều đó không có nghĩa là mọi loài cỏ dại đều kháng tất cả các loại thuốc trừ cỏ, nhưng hiện nay có rất nhiều loài cỏ dại đã phát triển tính kháng thuốc. Đây đã trở thành một vấn đề thực sự nghiêm trọng", ông Duke cho biết.

Tương tự, việc làm đất quá nhiều - chẳng hạn bằng máy xới đất robot - có thể ảnh hưởng đến chất lượng đất. Bên cạnh đó, nhiều mô hình trí tuệ nhân tạo được sử dụng trong các hệ thống phát hiện cỏ dại theo thời gian thực chỉ được huấn luyện trên một số loại cây trồng hoặc trong những điều kiện môi trường nhất định.

"Rất nhiều công ty trong lĩnh vực này tập trung chủ yếu vào miền Tây Hoa Kỳ, bởi các bang Arizona, California, Oregon và Washington có diện tích sản xuất rau rất lớn. Tuy nhiên, điều kiện khí hậu ở những khu vực này rất khác so với khu vực Đông Nam Hoa Kỳ", bà Sosnoskie cho biết. "Tôi từng làm việc với một công ty có thuật toán ban đầu liên tục bỏ sót một loài cỏ dại, cụ thể là cỏ phấn hương. Hóa ra, các loài cỏ phấn hương ở California lại khác với các vùng khác".

"Điều đó có nghĩa là nếu một người trồng rau ở Mississippi, Alabama hoặc các khu vực lân cận muốn áp dụng công nghệ này, chúng ta cần đảm bảo rằng hệ thống đã được huấn luyện để nhận diện cỏ dại phù hợp với điều kiện môi trường và các loài cỏ dại tại địa phương".

Theo bà Sosnoskie, bản thân cỏ dại cũng có thể tiến hóa để thích nghi với công nghệ này. Nếu những loài cỏ dại có hình thái giống hệt cây trồng - một hiện tượng được gọi là bắt chước cây trồng - sống sót qua các đợt xử lý, chúng có thể tiếp tục sinh sản, làm gia tăng số lượng cỏ dại có hình thái tương tự cây trồng.

Theo thời gian, điều này có thể tạo lợi thế cho những loài cỏ dại có khả năng né tránh các thiết bị được thiết kế để tiêu diệt chúng, bà Sosnoskie cho biết.

"Tôi vẫn luôn nhấn mạnh rằng việc có công nghệ này không có nghĩa là chúng ta sẽ không còn phải đối mặt với cỏ dại", bà nói. "Trong quản lý cỏ dại, chúng ta luôn phải tính đến cách cỏ dại phản ứng hoặc tìm cách 'chiến thắng'. Chúng ta cần chủ động dự liệu và ứng phó với những vấn đề này".

Hùynh Thị Đan Anh theo Đại học Mississippi.