自动化农场即将到来，只要我们消灭一些错误-彭博社

一辆伊塞基拖拉机自主牵引着一台播种机，前景是一个无人机控制器。

摄影师：杰米·霍克斯沃斯（Jamie Hawkesworth）为彭博商业周刊拍摄四月的一天，我漫步穿过英格兰郡斯洛普郡的一片田野，寻找一台机器人拖拉机。乌云飘过天空，雨水夹杂着阵风而来，一排橡树俯瞰着耕地。等待我的是基特·富兰克林（Kit Franklin），一位穿着传统英国农业服装的32岁工程师：格子衬衫，带有灯芯绒领子的厚夹克，斜纹呢帽。在富兰克林的身后，一辆由日本制造商伊塞基公司制造的紧凑蓝色拖拉机来回行驶，牵引着一套犁地的金属圆盘和剑桥滚筒，一排金属环滚过土壤，碾碎土块，压实并平整表面。驾驶座位空无一人。富兰克林说，当天的计划是种植，“但是我们的这片田地有很多垃圾”——即前一季作物留下的有机垃圾，所以一辆拖拉机将用来埋掉这些垃圾。

2017年，他和英格兰农村的一支小团队在 哈珀亚当斯大学，一所农业学校，成为世界上第一批在种植到收获的整个过程中没有人踏足土地的农民。他们称之为 无人操作公顷项目，就像是100米（328英尺）长和宽的公制单位，面积约2.5英亩。第一年，富兰克林的团队种植了4.5公吨（9921磅）的春大麦，随后在2018年种植了6.5公吨的冬小麦。部分春大麦被用于制作口味琴酒和啤酒；部分小麦被用于制作披萨面粉。

自由公顷项目并非来自像加利福尼亚的圣华金谷那样明显的创新温床，距旧金山约一小时车程。最初的项目完成时只有199,000英镑（约235,000美元）的微薄预算，但仍然吸引了广泛的媒体报道。这导致了额外的200万英镑资金，其中大部分来自英国政府。富兰克林和他的团队决定扩大到一个35公顷的自由公顷农场。这个更大的、为期三年的项目将探索自主农业如何在商业农业中发挥作用。它能帮助缓解英国和美国等国家的劳动力短缺吗？它能帮助在一个变暖的星球上养活不断增长的人口吗？它能减少环境破坏并产生更好的产量吗？富兰克林的团队能否创造出一个可行的商业产品？

自主农业行业已经开始蓬勃发展，从也许只有几十家公司到至少180家，根据研究机构StartUS Insights的数据。大多数公司位于美国和欧洲，但它们也可以在东亚、印度和南美找到。长期存在的农业设备制造商也加入了这一行业，包括美国公司AGCO Corp.，其品牌包括芬特和马西·弗格森；意大利-美国公司CNH Industrial，其拥有的拖拉机品牌包括Case IH、New Holland和Steyr；以及标志性的美国品牌John Deere。今年，迪尔推出了其第一款自主拖拉机，是其8R系列的一个版本，而CNH推出了Omnipower，一个用于播种机、喷雾器和施肥机的自主平台。

研究公司Brandessence预测，到2027年，自主农业设备市场将达到1550亿美元，是2020年的两倍半。大多数农业人士都接受了增加自动化的必然性—只是形式和程度的问题。“有些农民仍然不相信这会发生，但这似乎是少数人的观点，”富兰克林说。

从2019年到2022年9月项目完成，我跟随Hands Free团队三年，他们从第一个行动者变成了劣势新兴力量，与顽固的机器人、疫情、供应链紊乱以及传统障碍（如英国天气）作斗争。农业自动化是一个复杂的问题，有一些方面比让道路车辆自动驾驶要简单（例如，交通量较少），有一些方面则更困难（地形和作物各异）。

迈克·古特里奇（Mike Gutteridge）看着种子钻机被装载。摄影师：杰米·霍克斯沃斯（Jamie Hawkesworth）为彭博商业周刊拍摄今年四月的计划是将第二台伊塞基连接到一个种子钻机，这是一种将作物种子投入地下的工具。希望是这两台拖拉机能够协同工作，一台打破可能会卡住钻机的土块，另一台种植种子。但当装有碟片和剑桥滚筒的拖拉机愉快地前进时，团队在连接种子钻机到另一台拖拉机时遇到了一些问题。等到这些问题克服后，第一台拖拉机出现了故障，因为一个失灵的切断开关导致随机关机。第二台拖拉机很快又开始表现不端，或者说，它开始按照最初设计的方式运行，因为一个安全功能阻止它在驾驶座位无人的情况下运行。

最终，迈克·古特里奇（Mike Gutteridge）——一个略带胡须的工程师，也是富兰克林的同事——用安全带将一桶装满水的军用汽油桶绑在了驾驶座上。然而，在那时，第一台拖拉机总是出故障。那天这两台机器是无法一起工作的。

富兰克林表达了自己的挫败感，但强调了更大的画面。“我站在田野里看着拖拉机自动驾驶已经五年了，”他说。“那真的很神奇。”

无人驾驶农场团队在农业工程精密创新中心（Agri-EPI Centre）工作，这是一个类似飞机库的建筑，位于哈珀亚当斯（Harper Adams）旧校区对面的马路边。我第一次访问是在2019年11月，希望看到他们种植第一批冬季作物。广义上，农作物分为那些像冬小麦一样在秋季种植的作物，以及像春大麦一样在春季种植的作物。两者都在夏末收割。

但天气并不配合。那个夏天充满了倾盆大雨，到了11月，田地被浸湿了，用拖拉机无法种植。在一些地区，团队的牵引式实施工具陷入泥潭，种子可能会在发芽前腐烂。我发现Hands Free农民们改为在室内修理他们的机械。古特里奇和乔纳森·吉尔（Jonathan Gill）——团队的自动驾驶车辆系统专家，之前曾为北海油田的水下无人机工作——正在修理一台伊塞基（Iseki）。拖拉机的引擎盖被打开，厚厚的泥土粘在其粗壮的轮胎上。

我请古特里奇解释他们如何使这台特定的伊塞基实现自动化。我们从引擎舱的右侧开始，那里是控制38马力柴油机的油门的位置。拖拉机有两根工厂制造的金属控制电缆连接到油门上，一根连接到油门踏板，另一根连接到手动杆，用于在需要时设置特定的发动机转速。在这两个控制器的上方，Hands Free团队还连接了一个金属链到油门上，这个链连接到一个他们安装的售后设备——线性执行器，它将电动机的旋转运动转换为向后拉或向前推的金属杆。当执行器的杆拉动链条时，链条又移动了油门。这意味着他们现在可以远程控制发动机。为了控制转向，团队设计了一个直接连接到液压系统的装置，比之前那些需要电动机物理移动方向盘的解决方案更精确。

车辆后部，一个塑料箱装着堆积的电路板和一团电缆。从左到右是安全切断控制，接着是通过有线以太网为箱内部件提供互联网连接、通过Wi-Fi为外部提供互联网连接的蜂窝路由器，然后是树莓派，一个提供处理能力的小型计算机。箱子里的内容看起来是临时搭建的，但古特里奇注意到大部分系统在已经上市的“智能拖拉机”中都是标准配置。

通过笔记本电脑控制拖拉机。摄影师：Jamie Hawkesworth，为彭博商业周刊拍摄午餐时间，在天气稍有好转时，吉尔和我驱车前往距离校园不到一英里的田野。古特里奇驾驶着拖拉机跟随我们出发。我们的目的地是蓝坑（Blue Pits），这是团队成员正在工作的五个被树木和树篱分隔的围场之一（其他的分别是Poors Land、Near Moor、Middle Moor和Top Adney）。团队认为蓝坑将是第一个足够干燥以进行播种的田地。“这是一种更黏土质的土壤，有一个轻微的坡度，意味着水可以流走，”吉尔说。“我们不能百分之百确定我们能在整个田地上都种植，但我们可以试试田地的上部分。”

实现自主性是一个分阶段的过程。首先，古特里奇驾驶拖拉机进行定位校准，利用附近的基站来精确调整卫星GPS信号。系统需要非常精确。“目前我们有12颗卫星在头顶。要进行定位修正，你需要[来自]三颗卫星的信号；要获得良好的修正，你需要六颗卫星，”古特里奇说。“在某些地方，这个数字下降到了五颗。…然后在轨道的底部附近，我们失去了一切。”最终，定位问题得到解决，他们三星Galaxy平板上的屏幕显示出一张田地图，上面画满了完美笔直的线条，线条之间通过整齐的半圆形转弯相连。

在不平整的地面上让拖拉机直行是一个需要技能的任务，需要不断调整以弥补车辆在犁沟上的俯仰和偏航，以及任何使用的工具上的作用力。因此，拖拉机制造商已经在很大程度上实现了自动驾驶，早期系统之一是Beeline，它于1997年出现。让自动驾驶车辆连接每一次通过更加困难；这一功能直到2019年左右才开始在商业系统中出现，就在我访问的时候。无人驾驶农机的农民们也在建立他们自己的系统，而不是利用新兴的商业系统，这是一个雄心勃勃的计划，包括远程操作、集成前进速度和工具控制、预设路线计划和自动安全协议。

最后，拖拉机启动了，Gutteridge坐在驾驶座上，以防发生任何意外。站在我旁边的Gill用老牌英国赛车的类比来解释。“想象这是一个Scalextric赛道，每个小赛道告诉赛车去做什么，”他说。

拖拉机正在自动驾驶，但地面仍然太湿，无法种植作物。天气和后来的Covid-19意味着要等到五月才能进行种植。在团队获得在封锁期间恢复自动操作的许可后，他们播种了所谓的覆盖作物。这种植物混合物，包括三叶草和萝卜，不会被用作食物，而是用来保护土壤的完整性，后来在被犁翻后用来施肥。鉴于疫情，他们选择了更简单的路径。“覆盖作物是种植和割草。经济作物是种植、滚动、喷洒、喷洒、喷洒、喷洒、收割，”Gutteridge说。“每个操作的时间限制更为严格。”

种植工作在布鲁皮茨进行得很顺利，播种机在土壤中留下了异常整齐的犁沟。但随着春天过渡到夏天，新冠疫情和供应链混乱使得很难获得备件。尽管如此，团队还是设法自主地割掉了覆盖作物，喷洒除草剂，为重新种植做好准备。

使拖拉机能够自主操作的电子设备。摄影师：Jamie Hawkesworth，摄于彭博商业周刊那年九月，我回到哈珀亚当斯，希望看到团队种植项目的第一个真正可食用的作物。事先，富兰克林和吉尔含糊地提到了一个未透露姓名的贵宾比我先到。当我来到田野时，农民们看起来出奇地整洁，他们在工作服外面穿着有领口的衬衫。原来，安妮公主，女王的女儿，刚刚访问过，然后以真正皇家的方式，乘直升机离开了。

伊塞基再次拉着播种机，为公主表现得完美无瑕。但对我来说并非如此。我发现拖拉机停在尼尔摩尔的边缘一动不动。古特里奇和富兰克林正在扫描以查明问题所在。车辆无法正确转向。最终他们追踪到问题出在软件上，软件试图使拖拉机转弯过于急剧。这个严重的角度弯曲了监控车轮位置的前轴传感器，并导致底盘另一侧的O形圈破裂，使液压油泄漏到土壤上。

当工程师们努力修复传感器时，苍蝇在周围嗡嗡作响，挫折感触手可及。富兰克林开玩笑说：“这是非常技术性的机器人东西。你怎么修补？”

系统恢复正常后，拖拉机沿着整齐直线行驶，完成完美转弯，使播种机成功种植了一片冬小麦。很快又出现了更多问题。土壤因为最近的一些雨水而潮湿，导致土块凝结并堵塞了播种机。人类操作员可以通过定期使用播种机的液压臂将其抬起，使土块掉落来解决这个问题。但自动化这个过程将会很复杂。因此，农民们跟在拖拉机后面走，当播种机开始堵塞时，他们喊道：“停下，停下！”有人远程切断了发动机，他们用园枝叉拔出土块。

最终他们会在播种机前面的旋转盘上着陆，以破碎土壤，但他们还没有想到这个主意。古特里奇说：“这种研究和开发的一个很大部分是尝试不同的方法，破坏它，然后再试一次。”

之后，我前往主校区见到了西蒙·布莱克莫尔教授，他是一位退休的农业机器人学教授，也是富兰克林的主要启发之一。在2012年和2013年之间，两人密切合作，富兰克林专注于他农业工程学位的最后一年的自动化。当布莱克莫尔和我穿过他的老实验室时（他现在已经退休），他为更精确的农业和自动化带来的经济和环境效益提出了论点。

“当前的农业实践是基于平均值，”布莱克莫尔说。“这就是我们去年做的事情。这就是我父亲做的事情。” 他说，一般来说，这意味着通过以不加区分的方式喷洒整个田地来浪费大量资源。“我一直倡导的是基于小型智能机器的新型机械化系统，”他说。这个想法是在田地里除草，甚至瞄准植物上的单个患病器官。有了人类操作员，激励是建造越来越大的机器，这样一个司机就能做更多的工作，但这些庞然大物会压实土壤，然后需要用机械方法打碎。在他看来，一支小型机器人队伍将使农民能够减少土壤压实、化学品使用和劳动力需求。

布莱克莫尔向我展示了他作为教授时的两个模型。其中一个是他的“选择性收割机”概念，大约在2006年由Massey Ferguson Ltd为他制造。设计用于自动收割莴苣等作物，它类似于一个机械犰狳，贴近地面，装有小轮子。其想法是前部会感应每棵作物植株，并确定其质量和数量，然后决定是否收割。后部是一个可拆卸的手推车，可以从主要收割机上分离出来，独立前往将刚刚采摘的蔬菜放在中央冷藏库，然后返回带着燃料或电池的补给。“前半部分是收割机。后半部分是自动化物流，”他说。Massey Ferguson模型没有进展到生产阶段，但布莱克莫尔后来告诉我，他确信这种类型的系统很快将会存在。

另一台机器人，一台白色的，带有一个球形机身和“诺曼”字样的轮式机器，是由一组哈珀亚当斯硕士学生于2017年设计和制造的。它在后部安装了一个“智能喷雾器”，只会选择性地喷洒杂草，而不是用化学品对整个田地进行喷洒。这种机器并不像选择性收割机那样遥不可及。“智能喷雾器已经在世界各地开发出来了——美国、中国、英国等等——有些现在已经上市了，” Blackmore后来告诉我。

尽管他和他的同事们后来开发的系统取得了成功，导致了自主领域的最近涌入，Franklin仍然小心翼翼地不想得太多的赞誉。然而，他说，他们已经在国际制造商的开发团队中担任导师，并且他相信他的项目帮助向其他人展示了未来可能会发生的事情。“如果你看看‘无人驾驶’之后，你会看到田地里的东西在做事情。”

随着自主农业发展的加速，技术问题开始让位于经济问题。Hands Free团队制作了一份分析报告，声称他们的自主设备将降低每吨小麦生产成本，与传统的人工设备相比，对于多达450公顷的农场。对于一个59.4公顷的农场，传统的28千瓦拖拉机每吨小麦的成本差异为168英镑，而自主设备为140英镑。对于更大的农场，自主成本甚至更低。

英国林肯大学食品农业技术教授西蒙·皮尔逊指出，随着2016年英国引入新的国家最低工资标准，以及随后的脱欧，农业自动化的研究在英国变得更加紧迫。农场劳动力成本上升，几年后，来自欧盟的季节性移民工人不再那么容易获得。他说，“行业可以说，‘嗯，等一下。我们真的需要提高生产率，因为我将不再拥有这些工人。’”

考虑到这些经济因素，富兰克林承认，自动化农业的论点更有利于劳动密集型产品，而不是像谷物、大豆和玉米这样的大面积作物，这些作物通常使用拖拉机种植。“要看到像我们这样完全使用自主机器进行谷物种植的农场，还需要一段时间，”他说。

富兰克林建议，自动化将使目前在大面积作物上进行的农业操作变得经济可行，例如手动除草而不是用除草剂喷洒。“你不会在田里组织一群劳动力进行手工锄地，你也没有机械化的方法来在谷物作物中锄草，”他解释道。“但是通过自动化，你绝对可以做到。” 这样的解决方案还将使农民能够大幅减少化学品的使用。

他还提出了半自动活动的模式，即农民驾驶一台机器，旁边跟随着自主机器。“你可能会看到有人在田地里用种子钻进行种植，但他可能会跟随着一台由自主机器驾驶的耕种机。”

富兰克林的团队与英国公司Farmscan Ag、Map of Ag和Precision Decisions合作，准备推出一个商业改装套件，可以与多个品牌的农业机械配合使用。Farmscan为喷雾器和种子钻等产品提供控制系统，而Hands Free系统将是他们可以添加到产品系列中的另一款产品。这种分阶段过渡的方法，现在许多主要制造商也认为是自动化农业最有可能的方法。田野中拖拉机的平均使用年限约为20年，这意味着车队更换是一个漫长的过程。大型生产商正在推出自己的改装套件，可以自动化早期由他们自己制造的拖拉机，也可能是其他品牌制造的拖拉机。“我们在自主性方面的方法是首先进行售后市场的方法，因为市场上有大量可以升级的设备，”CNH首席数字官帕拉格·加格说。富兰克林表示，主要制造商正在研发的改装套件“可能非常类似”于他团队的产品。

主要的拖拉机制造商近年来收购了一大批致力于解决这一问题的初创公司。2021年6月，CNH收购了Raven Industries，现在这家更大的公司将Raven的精准农业装备应用于CNH的Case IH和New Holland品牌上。Raven也继续通过自己的分销网络进行销售。2021年，AGCO收购了Headsight Inc.，该公司从1998年开始着手农业自动化工作。

初创公司领域的许多努力都集中在特种作物上，比如草莓、葡萄和生菜，这些作物仍然严重依赖人工劳动。部分原因是便利性。正如AGCO的高级副总裁Seth Crawford所指出的那样，这些作物“是许多硅谷初创公司的本地作物。”

这些初创公司经常提到经济原因。“一英亩玉米，从生产前、种植前到收获后的总劳动成本约为150美元，”总部位于加利福尼亚的成立于2018年的Advanced Farm Technologies Inc.的业务发展总监Peter Ferguson说道。“而一英亩草莓，仅仅是收获成本就约为5万美元。”草莓仍然是人工采摘的。Tortuga AgTech的联合创始人兼首席执行官Eric Adamson表示，他的公司估计，全球价值5万亿美元的农业收入中，有20%来自人工采摘的食物。即使草莓只占其中的一小部分，每年180亿至200亿美元，他说，“这仍然是巨大的市场，完全依赖人们走过农场，采摘每一片土地。”

在其他地方，加利福尼亚的另一家公司FarmWise Labs Inc.，由法国移民Sebastien Boyer和Thomas Palomares领导，专注于除草所谓的特种作物，特别是莴苣，还有芹菜和西兰花，这些作物同样需要每年短暂时期大量的人工劳动。FarmWise的Titan机器人利用机器视觉和人工智能区分莴苣和杂草，然后拔除不需要的植物，总体目标是提供一种替代整个田地喷洒除草剂的方法，同时减少劳动需求。

Boyer认为，正是这种情况，而不是涉及拖拉机后面传统工具的情况，自动化的最具说服力的初期商业案例。他认为，来自大型设备制造商的自动化产品主要是一种营销特色，因为让拖拉机自动驾驶的经济案例仍然不存在。他说：“这是一个很酷的新东西，你可以把它放在非常昂贵的拖拉机的宣传册上，以便销售更多这些昂贵的拖拉机。”

到了2021年3月，无人操作的农民们遇到了一个新障碍：障碍物。现在是播种春季作物的时候。他们正在工作的田地，名为Poors Land，不是一个整齐的矩形，而是一个复杂的四边形，南部边缘参差不齐，并且被沿着杆子拉着的架空电力线划分。这意味着拖拉机无法沿着一组预先编程的直线，这些直线由完美的180度转弯连接而成。

富兰克林戴着一顶粗花呢帽子，穿着一件马甲，在他的车背上展开了一份路线计划的打印稿。“这些都是电报杆，这里有一个排水井盖，会被避开，”他说。“没有理由会给我们带来问题，”富兰克林乐观地补充道。

但事实上却给他们带来了问题。在最后一刻，农民们不得不调整机器中编程的田地边界，切掉了仍然太湿无法播种的部分区域。这导致一个电线杆位于每排末端计划转弯区域内。“你不能在一个弯道上再转弯，”古特里奇说。

在团队努力寻找可能的解决方案时，拖拉机忠实地绕过一个电线杆，突然在中间停了下来，周围看不到任何障碍物，然后把播种机抬起来，这通常是在每排末端才会执行的动作。这看起来像是一种被动的耸肩。“嗯，”富兰克林说。“这是我们以为我们早就超越的那种故障。”古特里奇怀疑是一根松动的电线导致了问题，但他们需要返回车间才能确定。

最终，团队成功地在托普·阿德尼和普尔兰德田地种植了春季燕麦，还克服了靠近电力线附近的无线电干扰问题。在托普·阿德尼，由于干旱条件，35公顷中有5公顷的耕地失败了，并且由于自动化联合收割机所需零部件的延迟，收割工作也出现了延误。

收割工作于8月11日开始。在普尔兰德，团队的联合收割机在非常高的燕麦作物上遇到困难，他们不得不转而使用一个更大的机器由人工操作员操作。但在布鲁皮茨，冬季豆类成功地实现了自主收割。同样在米德尔摩尔和尼尔摩尔，冬小麦正在生长；小型联合收割机自主地割下金黄色的麦秆，同时一辆自主拖拉机并行运行，拉着一个拖车。谷物从联合收割机的出料口流入拖车，当拖车装满时，拖拉机开走到田地边缘卸货。这是团队第一次实现了两台机器共同作业的复杂芭蕾舞，从17.5公顷的土地上收获了150吨小麦。他们将这批小麦以27453.66英镑的价格在公开市场上出售，还有额外1.7公顷的豆类收获了7.08吨，售价为1522.20英镑——这是非常可观的回报。

几个月后，农民们进行了最后一轮冬季作物种植，他们在Top Adney和Blue Pits种植了冬小麦，在Poors Land种植了豆类。当我在2022年4月回去时，三年项目接近尾声，每个人看起来都很疲惫。弗兰克林不再像2019年那样年轻。古特里奇看起来像是一个在恶劣天气中花了很多时间调试的人。机器人专家吉尔已经转到了一家商业公司。拖拉机仍然没有像希望的那样运转——没有两台机器的芭蕾舞，而且需要一个系在里面的水罐才能让其中一台运转。但他们最终还是把春季作物种植到了地里。

“我感到自豪，”弗兰克林在我问及他在旅程接近尾声时的感受时说。他和他的团队帮助将自主农业的理念从遥远的科幻未来带到了现实的近期前景，并鼓励农民们质疑一个拥有人类驾驶员的更大机器总是最佳解决方案的现状。

几个月后，他产生了一个新的抱负：调查自动化是否可以帮助结束几个世纪以来的单一作物种植传统。与其将某一块田地限制在单一作物上，农民们是否可以播种不同物种的交替条带？这样可以让一种植物补充其他植物所使用的养分，并减少使用化肥的需求，或者让土壤在种植周期之间休耕。更多样化的作物群体应该也会阻碍植物疾病的传播。“如果你依赖一个人来做这件事，那就会有巨大的误差空间，”弗兰克林谈到交替种植作物时说。“我们的机器，你只需加载小麦路线计划，它就会在田地上来回行驶，只种植小麦。然后你加载大麦计划，它就只种植大麦。然后你说豆类。”

与此同时，最终的无人操作收获即将到来。到了八月和九月，需要躲避更多的倾盆大雨，以及在头灯照明下进行的深夜收割。联合收割机与两台伊塞基拖拉机紧密配合，拉着收割机，所有车辆都是无人操作的。团队收获了约48吨小麦和91吨春大麦，价值约35000英镑。

最终，在9月16日，他们的 Twitter账号发布了一张收割机两侧是两台改装的蓝色伊塞基的照片。标题简单地写着：“无人农场的田间工作完成。”