3D打印與農業(yè)：農業(yè)領域的新視角

魔猴君  知識堂   116天前

農業(yè)在不斷發(fā)展。縱觀歷史，該行業(yè)一直受到技術進步的推動，這些技術進步主要提高了生產力并改善了食品質量。然而，農業(yè)正面臨著氣候變化或對產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技術。為了更好地理解和了解3D打印在農業(yè)中的作用，我們將研究這種協(xié)同作用。盡管它還不是農業(yè)實踐中廣泛實施的技術，但一些專門的應用已經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。

農業(yè)是一項甚至在科學和文字出現(xiàn)之前就已成為偉大文明基礎的活動。農業(yè)實踐伴隨人類約12,000年，自出現(xiàn)以來，農業(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致了定居，進而導致了社會的建立。農業(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)合國糧食及農業(yè)組織(FAO)的數(shù)據(jù)，有12.3億人在農業(yè)食品系統(tǒng)中工作。該數(shù)據(jù)是2019年進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業(yè)食品系統(tǒng)相關的家庭中。

圖片1：農業(yè)是戰(zhàn)略部門，為世界82億人口提供糧食，為各經濟部門提供原材料。

許多世紀以來，農業(yè)任務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，農業(yè)活動幾乎完全改變。從19世紀末到整個20世紀，拖拉機、聯(lián)合收割機和犁等機器的使用變得至關重要。近年來，農業(yè)邁出了新的一步，將信息技術融入其活動中，出現(xiàn)了農業(yè)科技一詞。后者對應于車輛、無人機、衛(wèi)星、機器人、掃描儀、計算機、軟件等技術的使用。以優(yōu)化農業(yè)生產。因此，我們將看看這篇介紹，特別是增材制造在農業(yè)領域的使用，看看它是如何改變的。

3D打印在農業(yè)上有哪些應用？

當考慮3D打印在農業(yè)中的應用時，我們可以想到工具、零部件的制造或拖拉機生產中的使用等例子。然而，還有許多其他開發(fā)、研究項目和實際應用都融入了3D打印。雖然該技術確實尚未像醫(yī)學或汽車工業(yè)那樣在農業(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用程序開始。

通過增材工藝生產機器

增材制造已在汽車和運輸行業(yè)占據(jù)主導地位，在農業(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利用增材制造生產了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技術來制造出風口適配器、空氣葉片定位器等組件。這些零件包含在其生產的農業(yè)機械中。

圖片2：Teyme汽化器，其部件是使用Multi Jet Fusion技術制造的（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業(yè)需求的工具和組件原型。例如，可以適應每個農民具體情況的機器零件和灌溉設備。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)場生產避免了農民的出行和可能中斷農業(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場使用該技術并從中受益。

傳感器和物聯(lián)網設備的制造

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

無人機和機器人的增材制造

一些農業(yè)無人機和機器人已經3D打印出來。它們標志著自動化技術在該領域實施的一個重要里程碑。近年來，事實證明，這些設備可以執(zhí)行作物監(jiān)測、播種、肥料和農藥精準施用等任務。專門從事無人機應用和無人機的意大利公司Soleon使用Materialise的增材制造服務創(chuàng)建了Soleon Dis-co。為了解決玉米螟這種可以消滅大部分農作物的害蟲問題，Soleon和Materialise設計了一種農藥輸送系統(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

可以通過設計3D打印的特定組件來改進灌溉系統(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用，信息素釋放裝置是用來吸引或驅除昆蟲的化學物質。它們可以通過3D打印來創(chuàng)建，并設計用于控制分散。

橫向文化

增材制造的另一個應用涉及小空間水平作物的生產。意大利公司Hexagro是該應用領域的專家。它使用3D打印工藝創(chuàng)建模塊化和可定制的結構，可以適應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，其設計針對植物生長和高效的水和養(yǎng)分管理進行了優(yōu)化?？焖偕a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)做法的技術進步的推動下，農業(yè)領域的研究經歷了重大演變。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)代農業(yè)。增材制造與農業(yè)的融合有望開創(chuàng)農業(yè)資源種植和管理的新時代。

農業(yè)材料的進步

熱塑性塑料廣泛應用于農業(yè)。然而，它們產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打印作為制造農業(yè)用材料的主要工藝。該研究的標題是：4D打?。恨r業(yè)可持續(xù)塑料生產的前景，是帕特雷大學、希臘農業(yè)大學和意大利熱那亞理工學院合作的成果。

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，可以響應外部刺激（例如熱、光、水或運動）而改變其形狀或屬性。雖然4D打印主要用于醫(yī)學等領域，但在農業(yè)中的應用很少甚至不存在。該團隊的研究表明，如果4D打印應用于農業(yè)，將有可能提高塑料在農業(yè)中的生物降解性以及環(huán)境、經濟和生產效益。但更廣泛應用的主要障礙是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。研究小組提到的應用包括食品包裝、農業(yè)覆蓋物、遮陽網或塑料溫室蓋。鑒于FDM技術使得操控PLA和其他具有自成型和記憶效應的聚合物成為可能，這種相對“簡單”的技術有可能在實踐中創(chuàng)建高效、可擴展且價格實惠的工具。其他技術，例如基于立體光刻的技術，也顯示了其在農業(yè)應用中的潛力。

3D打印在土壤研究中的應用

土壤即使不是最重要的農業(yè)實踐要素，也是關鍵要素之一。其研究對于了解人類活動的影響以及水力、化學和微生物特性的影響至關重要。意大利帕多瓦大學于2020年發(fā)表的一項研究中，重現(xiàn)了土壤的結構，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，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構，3D Systems是一種通過物質噴射操作的機器。使用這些3D打印模型，可以重建土壤樣本的原始結構，包括孔隙率和孔隙形狀。盡管由于打印過程中的技術限制，孔隙之間的電導率有所降低，但該團隊能夠測量大多數(shù)原型的水力傳導率，顯示出良好的相關性。這項研究有助于突破土壤科學研究的界限。

圖片6：不同土壤測試的3D打?。ㄕ掌瑏碓矗簹W洲土壤科學雜志）

使用增材制造進行土壤研究的另一個例子出現(xiàn)在美國弗吉尼亞大學的一個多學科團隊于2021年出版的出版物中。該研究的標題是：生物活性土壤結構的3D打印，并分析了3D打印土壤結構使種子發(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構。結果表明，當含水量控制得當時，打印的結構能夠促進發(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）

植物表型分析

農業(yè)表型分析是對植物進行觀察和分析的過程，可以預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。2024年發(fā)表的一項研究在使用增材制造進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，科學家們利用FDM技術開發(fā)了3D打印甜菜植株模型。這項創(chuàng)新研究是由IFZ的一名博士生進行的。Jonas B?mer強調了該模型的重要性：“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。”

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，農民可以改善土壤管理并采取措施防止侵蝕。機器人與農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。?

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)中的應用

養(yǎng)蜂業(yè)和農業(yè)是密切相關的活動。養(yǎng)蜂業(yè)在農業(yè)中發(fā)揮著至關重要的作用，因為它對授粉過程做出了重要貢獻，而授粉過程是許多植物和作物繁殖的重要機制。根據(jù)糧農組織的數(shù)據(jù)，傳粉媒介物種直接影響全球農業(yè)生產的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。蜜蜂和農作物之間的相互依賴不僅凸顯了保護和支持養(yǎng)蜂做法的必要性，而且還凸顯了保護蜜蜂的必要性。農藥、疾病和棲息地喪失等威脅正在阻礙全球農業(yè)的可持續(xù)性和生產力。

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。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)的農業(yè)生產力顯著提高。”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，即木質復合材料，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力?！?/span>

世界各地的多項研究表明，由于農藥的大量使用、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品的生產，而且還影響多種農作物的授粉。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。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、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，減少對化學處理的需求?！?/span>

3D打印在農業(yè)領域的前景如何？

上述項目、應用、已確定的優(yōu)勢和已經觀察到的結果證實了3D打印在農業(yè)領域的發(fā)展?jié)摿?。從某種程度上來說，這項技術在農業(yè)領域仍處于起步階段。然而，這里討論的項目證實了它的潛力是巨大且有前途的。

我們知道農業(yè)是一項非常古老的活動，其實踐不僅植根于特定技術，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)新技術是否在農業(yè)中占有一席之地？因為如果傳統(tǒng)習俗得以保留下來，那是有原因的，對嗎？事實上，農業(yè)部門永遠不會錯過創(chuàng)新的機會。盡管3D打印的使用尚未廣泛，但其他技術已經得到開發(fā)。

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

來源：3dnatives