3D打印與農(nóng)業(yè)：農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新視角

魔猴君  知識堂   86天前

農(nóng)業(yè)在不斷發(fā)展。縱觀歷史，該行業(yè)一直受到技術(shù)進(jìn)步的推動，這些技術(shù)進(jìn)步主要提高了生產(chǎn)力并改善了食品質(zhì)量。然而，農(nóng)業(yè)正面臨著氣候變化或?qū)Ξa(chǎn)品的高需求等新挑戰(zhàn)。這就是為什么尋找創(chuàng)新解決方案比以往任何時候都更加緊迫。最近的研究和項目表明增材制造可能是一項相關(guān)技術(shù)。為了更好地理解和了解3D打印在農(nóng)業(yè)中的作用，我們將研究這種協(xié)同作用。盡管它還不是農(nóng)業(yè)實踐中廣泛實施的技術(shù)，但一些專門的應(yīng)用已經(jīng)打開了新可能性的大門。因此，這次我們將嘗試了解增材制造給養(yǎng)蜂等有直接影響的實踐帶來的好處，以及仍需要填補的空白。

農(nóng)業(yè)是一項甚至在科學(xué)和文字出現(xiàn)之前就已成為偉大文明基礎(chǔ)的活動。農(nóng)業(yè)實踐伴隨人類約12,000年，自出現(xiàn)以來，農(nóng)業(yè)通過改變生活方式徹底改變了歷史。眾所周知，自己種植食物的活動導(dǎo)致了定居，進(jìn)而導(dǎo)致了社會的建立。農(nóng)業(yè)的重要性幾千年來沒有改變，因為它是國家自我維持發(fā)展和財富的戰(zhàn)略活動。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的數(shù)據(jù)，有12.3億人在農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)中工作。該數(shù)據(jù)是2019年進(jìn)行的一項研究的一部分，該研究還表明，世界上近一半的人口生活在與這些農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)相關(guān)的家庭中。

圖片1：農(nóng)業(yè)是戰(zhàn)略部門，為世界82億人口提供糧食，為各經(jīng)濟(jì)部門提供原材料。

許多世紀(jì)以來，農(nóng)業(yè)任務(wù)深深植根于體力勞動。工業(yè)革命后，隨著簡化體力勞動的機器的引入，農(nóng)業(yè)活動幾乎完全改變。從19世紀(jì)末到整個20世紀(jì)，拖拉機、聯(lián)合收割機和犁等機器的使用變得至關(guān)重要。近年來，農(nóng)業(yè)邁出了新的一步，將信息技術(shù)融入其活動中，出現(xiàn)了農(nóng)業(yè)科技一詞。后者對應(yīng)于車輛、無人機、衛(wèi)星、機器人、掃描儀、計算機、軟件等技術(shù)的使用。以優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因此，我們將看看這篇介紹，特別是增材制造在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的使用，看看它是如何改變的。

3D打印在農(nóng)業(yè)上有哪些應(yīng)用？

當(dāng)考慮3D打印在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時，我們可以想到工具、零部件的制造或拖拉機生產(chǎn)中的使用等例子。然而，還有許多其他開發(fā)、研究項目和實際應(yīng)用都融入了3D打印。雖然該技術(shù)確實尚未像醫(yī)學(xué)或汽車工業(yè)那樣在農(nóng)業(yè)中得到充分實施，但我們將在本文中表明它正在順利實施。為此，我們將從最重要的應(yīng)用程序開始。

通過增材工藝生產(chǎn)機器

增材制造已在汽車和運輸行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位，在農(nóng)業(yè)機械制造中也出現(xiàn)了類似的用途。例如，2022年，著名制造商約翰迪爾一年內(nèi)利用增材制造生產(chǎn)了4000多個零件。這是其位于德國曼海姆的專業(yè)中心實施增材制造的第一步。一個更本土的案例是西班牙公司Teyme，該公司使用惠普的Multi Jet Fusion技術(shù)來制造出風(fēng)口適配器、空氣葉片定位器等組件。這些零件包含在其生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機械中。

圖片2：Teyme汽化器，其部件是使用Multi Jet Fusion技術(shù)制造的（照片來源：Teyme）

定制工具的開發(fā)

3D打印可以快速且廉價地制作專門針對農(nóng)業(yè)需求的工具和組件原型。例如，可以適應(yīng)每個農(nóng)民具體情況的機器零件和灌溉設(shè)備。這些甚至可以是特定機器的備件，例如不再制造但仍然需要的工具。此外，這些工具的現(xiàn)場生產(chǎn)避免了農(nóng)民的出行和可能中斷農(nóng)業(yè)活動的等待時間。最后，增材制造的民主化可以讓小型和大型農(nóng)場使用該技術(shù)并從中受益。

傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的制造

用于監(jiān)測地面狀況、濕度、風(fēng)和天氣等因素的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)傳感器和設(shè)備可以通過3D打印實現(xiàn)。它們被集成到智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中以改善作物決策。

無人機和機器人的增材制造

一些農(nóng)業(yè)無人機和機器人已經(jīng)3D打印出來。它們標(biāo)志著自動化技術(shù)在該領(lǐng)域?qū)嵤┑囊粋€重要里程碑。近年來，事實證明，這些設(shè)備可以執(zhí)行作物監(jiān)測、播種、肥料和農(nóng)藥精準(zhǔn)施用等任務(wù)。專門從事無人機應(yīng)用和無人機的意大利公司Soleon使用Materialise的增材制造服務(wù)創(chuàng)建了Soleon Dis-co。為了解決玉米螟這種可以消滅大部分農(nóng)作物的害蟲問題，Soleon和Materialise設(shè)計了一種農(nóng)藥輸送系統(tǒng)。然而，他們使用了赤眼蜂的卵，赤眼蜂是一種以玉米螟為食的黃蜂，從而產(chǎn)生了一種天然的解決方案。在本例中，無人機是通過SLS工藝在PA12中打印的。

圖片3：意大利Soleon公司用于對抗寄生蟲的3D打印無人機（照片來源：Soleon）

生產(chǎn)可生物降解的種子和幼苗容器

3D打印還可用于制造可生物降解的種子或幼苗容器或盆，使種植更容易并減少對環(huán)境的影響。

灌溉組件的生產(chǎn)

可以通過設(shè)計3D打印的特定組件來改進(jìn)灌溉系統(tǒng)。例如，噴嘴和連接器，可優(yōu)化水分配并減少浪費。

害蟲防治裝置的增材制造

從昆蟲誘捕器開始，增材制造可以為不同類型的害蟲設(shè)計和制造特定的誘捕器。這些陷阱可以優(yōu)化以吸引和捕獲昆蟲。接下來，我們可能會在信息素釋放裝置中找到應(yīng)用，信息素釋放裝置是用來吸引或驅(qū)除昆蟲的化學(xué)物質(zhì)。它們可以通過3D打印來創(chuàng)建，并設(shè)計用于控制分散。

橫向文化

增材制造的另一個應(yīng)用涉及小空間水平作物的生產(chǎn)。意大利公司Hexagro是該應(yīng)用領(lǐng)域的專家。它使用3D打印工藝創(chuàng)建模塊化和可定制的結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)每個空間和每種文化的特定需求。這包括制造灌溉托盤、支架和渠道，其設(shè)計針對植物生長和高效的水和養(yǎng)分管理進(jìn)行了優(yōu)化?？焖偕a(chǎn)定制組件的能力顯著降低了成本和開發(fā)時間，使Hexagro能夠不斷創(chuàng)新和改進(jìn)其種植系統(tǒng)。

圖片4：帶連接器的3D打印水平裁剪（照片來源：Hexagro）

科學(xué)研究和3D打印的作用

近年來，在重新定義傳統(tǒng)做法的技術(shù)進(jìn)步的推動下，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷了重大演變。在這些創(chuàng)新中，3D打印似乎是一種革命性工具，可以幫助定義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。增材制造與農(nóng)業(yè)的融合有望開創(chuàng)農(nóng)業(yè)資源種植和管理的新時代。

農(nóng)業(yè)材料的進(jìn)步

熱塑性塑料廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。然而，它們產(chǎn)生的廢物對土壤健康有直接影響并影響生物多樣性。為了解決這些問題，采用了聯(lián)合國提出的“6R模式”（丟棄、重新設(shè)計、減少、再利用、回收和回收）等解決方案，并越來越多地鼓勵農(nóng)民使用天然或可生物降解的替代品。最近的研究發(fā)現(xiàn)了具有不同特性的材料的替代品。例如，2021年的一份出版物提議將4D打印作為制造農(nóng)業(yè)用材料的主要工藝。該研究的標(biāo)題是：4D打印：農(nóng)業(yè)可持續(xù)塑料生產(chǎn)的前景，是帕特雷大學(xué)、希臘農(nóng)業(yè)大學(xué)和意大利熱那亞理工學(xué)院合作的成果。

4D打印是3D打印的演變，增加了時間維度。在這種情況下，印刷物體由智能材料制成，可以響應(yīng)外部刺激（例如熱、光、水或運動）而改變其形狀或?qū)傩?。雖然4D打印主要用于醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用很少甚至不存在。該團(tuán)隊的研究表明，如果4D打印應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，將有可能提高塑料在農(nóng)業(yè)中的生物降解性以及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)效益。但更廣泛應(yīng)用的主要障礙是4D打印工藝的新穎性。

圖片5：4D打印為提高農(nóng)業(yè)塑料的生物降解性提供了機會

4D打印會帶來什么？一些形狀記憶材料具有耐熱、磁阻、對pH值和滲透壓敏感等特性，這些特性使其成為理想的智能材料。研究小組提到的應(yīng)用包括食品包裝、農(nóng)業(yè)覆蓋物、遮陽網(wǎng)或塑料溫室蓋。鑒于FDM技術(shù)使得操控PLA和其他具有自成型和記憶效應(yīng)的聚合物成為可能，這種相對“簡單”的技術(shù)有可能在實踐中創(chuàng)建高效、可擴(kuò)展且價格實惠的工具。其他技術(shù)，例如基于立體光刻的技術(shù)，也顯示了其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的潛力。

3D打印在土壤研究中的應(yīng)用

土壤即使不是最重要的農(nóng)業(yè)實踐要素，也是關(guān)鍵要素之一。其研究對于了解人類活動的影響以及水力、化學(xué)和微生物特性的影響至關(guān)重要。意大利帕多瓦大學(xué)于2020年發(fā)表的一項研究中，重現(xiàn)了土壤的結(jié)構(gòu)，以了解其工作原理。為此，他們使用X射線顯微斷層掃描技術(shù)，從中提取數(shù)據(jù)并使用3D Systems的ProJet 3510 HD打印機打印樹脂地板的結(jié)構(gòu)，3D Systems是一種通過物質(zhì)噴射操作的機器。使用這些3D打印模型，可以重建土壤樣本的原始結(jié)構(gòu)，包括孔隙率和孔隙形狀。盡管由于打印過程中的技術(shù)限制，孔隙之間的電導(dǎo)率有所降低，但該團(tuán)隊能夠測量大多數(shù)原型的水力傳導(dǎo)率，顯示出良好的相關(guān)性。這項研究有助于突破土壤科學(xué)研究的界限。

圖片6：不同土壤測試的3D打印（照片來源：歐洲土壤科學(xué)雜志）

使用增材制造進(jìn)行土壤研究的另一個例子出現(xiàn)在美國弗吉尼亞大學(xué)的一個多學(xué)科團(tuán)隊于2021年出版的出版物中。該研究的標(biāo)題是：生物活性土壤結(jié)構(gòu)的3D打印，并分析了3D打印土壤結(jié)構(gòu)使種子發(fā)芽的可能性。為此，他們使用擠壓方法打印了不含添加劑的地板結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，當(dāng)含水量控制得當(dāng)時，打印的結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)發(fā)芽和植物生長，即使它們需要大量的水。盡管該研究的重點是證明“綠色屋頂”的可行性，但同樣的原理也可以應(yīng)用于種植香菜、薄荷、歐芹、羅勒等草本植物。

圖片7：3D打印的“生命墻”顯示144小時后植被的生長情況（照片來源：弗吉尼亞大學(xué)）

植物表型分析

農(nóng)業(yè)表型分析是對植物進(jìn)行觀察和分析的過程，可以預(yù)測它們在給定空間中的狀況。更具體地說，表型分析是植物遺傳信息與環(huán)境之間相互作用的結(jié)果，可以更好地了解植物的生長、發(fā)育和對這些環(huán)境條件的反應(yīng)。2024年發(fā)表的一項研究在使用增材制造進(jìn)行植物表型分析方面樹立了里程碑。甜菜研究所(IFZ)和波恩大學(xué)合作開發(fā)了3D打印植物模型，可實現(xiàn)精確可靠的表型分析。

為了在數(shù)據(jù)收集和參數(shù)提取過程中擁有參考工具，科學(xué)家們利用FDM技術(shù)開發(fā)了3D打印甜菜植株模型。這項創(chuàng)新研究是由IFZ的一名博士生進(jìn)行的。Jonas B?mer強調(diào)了該模型的重要性：“3D打印使我們能夠創(chuàng)建具有成本效益的參考工具，以確保所收集數(shù)據(jù)的完整性?！?/span>

這項研究還廣泛使用3D掃描來收集數(shù)據(jù)。事實上，3D掃描可以創(chuàng)建高分辨率的作物數(shù)字模型，從而更容易監(jiān)測作物的生長和發(fā)育，并可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題。Jonas B?mer解釋說：“通過分析土壤，農(nóng)民可以改善土壤管理并采取措施防止侵蝕。機器人與農(nóng)作物的交互是另一個可以通過深度信息解釋來解決的問題。一個例子是自動化溫室中的水果采收，這減少并簡化了勞動密集型采收任務(wù)。?

圖片8：3D打印甜菜參考模型（照片來源：GigaScience）

3D打印在養(yǎng)蜂業(yè)中的應(yīng)用

養(yǎng)蜂業(yè)和農(nóng)業(yè)是密切相關(guān)的活動。養(yǎng)蜂業(yè)在農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因為它對授粉過程做出了重要貢獻(xiàn)，而授粉過程是許多植物和作物繁殖的重要機制。根據(jù)糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，傳粉媒介物種直接影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的35%，間接影響75%。除了有助于授粉的200,000種物種之外，還有20,000種蜜蜂是最出色的傳粉者。蜜蜂和農(nóng)作物之間的相互依賴不僅凸顯了保護(hù)和支持養(yǎng)蜂做法的必要性，而且還凸顯了保護(hù)蜜蜂的必要性。農(nóng)藥、疾病和棲息地喪失等威脅正在阻礙全球農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性和生產(chǎn)力。

為了解決一些危害蜜蜂物種的問題，養(yǎng)蜂人在增材制造的幫助下找到了解決方案。例如，墨西哥的一名碩士生最近開發(fā)了一種樹脂打印的蜂巢來刺激蜜蜂的生產(chǎn)。另外值得一提的是英國的LACRIMA基金會，該基金會通過3D打印木制蜂箱來保護(hù)蜂群。其LacriNest蜂箱采用材料擠壓工藝印刷而成，為蜜蜂提供自然、不受干擾的生態(tài)系統(tǒng)。

圖片9：“我們的3D打印蜂箱提供的改善條件帶來了更健康的蜂群。這使得使用我們蜂巢的地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力顯著提高。”3Dnatives的Vince Moucha（照片來源：LACRIMA）

該基金會創(chuàng)始人兼總裁Vince Moucha在接受我們團(tuán)隊采訪時表示：“我們的3D打印蜂箱使用一種特殊的、完全可生物降解的材料，即木質(zhì)復(fù)合材料，這將它們與傳統(tǒng)和其他3D打印解決方案區(qū)分開來。這種材料和我們的木制蜂箱的設(shè)計不僅確保了環(huán)境的可持續(xù)性，而且具有出色的隔熱性和耐用性，為蜜蜂創(chuàng)造了最佳環(huán)境，提高了它們的健康和生產(chǎn)力?！?/span>

世界各地的多項研究表明，由于農(nóng)藥的大量使用、棲息地的破壞以及氣候變化的影響等，蜜蜂正面臨危險。蜜蜂的減少不僅影響蜂蜜和其他蜂產(chǎn)品的生產(chǎn)，而且還影響多種農(nóng)作物的授粉。這個問題并不是最近才出現(xiàn)的，第一個警告信號出現(xiàn)在上個世紀(jì)。找到的解決方案之一正是制造蜂箱，為它們提供筑巢棲息地。

圖片10：豐富的3D打印木材（照片來源：LACRIMA）

LACRIMA創(chuàng)始人補充道：“通過鼓勵本地生產(chǎn)、減少運輸排放和使用可回收材料，3D打印蜂箱可以融入可持續(xù)農(nóng)業(yè)實踐中。它們還可以成為綜合害蟲管理系統(tǒng)的一部分，減少對化學(xué)處理的需求?！?/span>

3D打印在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的前景如何？

上述項目、應(yīng)用、已確定的優(yōu)勢和已經(jīng)觀察到的結(jié)果證實了3D打印在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α哪撤N程度上來說，這項技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域仍處于起步階段。然而，這里討論的項目證實了它的潛力是巨大且有前途的。

我們知道農(nóng)業(yè)是一項非常古老的活動，其實踐不僅植根于特定技術(shù)，而且植根于傳統(tǒng)，我們可以問自己，像增材制造這樣的創(chuàng)新技術(shù)是否在農(nóng)業(yè)中占有一席之地？因為如果傳統(tǒng)習(xí)俗得以保留下來，那是有原因的，對嗎？事實上，農(nóng)業(yè)部門永遠(yuǎn)不會錯過創(chuàng)新的機會。盡管3D打印的使用尚未廣泛，但其他技術(shù)已經(jīng)得到開發(fā)。

目前，最顯著的進(jìn)步是在科學(xué)研究層面。專家除了關(guān)注某個主題外，還尋求當(dāng)前問題的解決方案。這里提到的研究例子只是中國等該行業(yè)規(guī)模較大的國家應(yīng)該存在的眾多研究例子中的一小部分。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究通過增材制造找到新的解決方案，我們預(yù)計會看到更廣泛的采用和更具顛覆性的創(chuàng)新。

來源：3dnatives