Лазер против колорадского жука: сможет ли дрон заменить обработку инсектицидами

Колорадского жука хотят уничтожать без химической обработки поля

Разработчики представили концепцию беспилотной системы, способной обнаруживать колорадского жука на растениях и уничтожать вредителя лазером.

Предполагается, что небольшой дрон будет перемещаться над картофельным полем, анализировать изображения с камер, распознавать взрослых жуков и личинок, а затем направлять на выбранную цель короткий лазерный импульс.

В отличие от обычной инсектицидной обработки, система должна воздействовать не на всю площадь посева, а на каждого обнаруженного вредителя отдельно. Растения, почва и большая часть полезных насекомых при этом не должны получать химической нагрузки.

Проект был представлен бельгийским исследователем Кристофом Деклерком на европейской конференции по фотонике. Однако речь пока идёт о прототипе и экспериментальной технологии, а не о готовой серийной машине для российских хозяйств.

Как работает лазерная система

Работа комплекса предполагает несколько последовательных этапов:

1. Камера снимает растения во время движения дрона.
2. Алгоритм компьютерного зрения анализирует изображение.
3. Система отличает колорадского жука или личинку от листьев, почвы и растительных остатков.
4. Определяются точные координаты вредителя.
5. Лазерный модуль наводится на цель.
6. Импульс нагревает и повреждает насекомое.

В экспериментах использовали синий лазер мощностью около 50 Вт с длиной волны 450 нм. По данным разработчиков, взрослого жука удалось поразить с расстояния около одного метра.

Личинки оказались более чувствительными к лазерному воздействию, поскольку их покровы мягче, чем твёрдые надкрылья взрослых особей.

Масса экспериментального лазерного блока составляла менее 300 граммов. Такой модуль теоретически можно разместить на небольшом беспилотнике вместе с камерой и системой наведения.

Почему именно колорадский жук

Колорадский жук остаётся одним из наиболее опасных вредителей картофеля. Взрослые насекомые и личинки объедают листья, снижая площадь фотосинтеза и ослабляя растения.

При высокой численности вредитель способен уничтожить значительную часть ботвы. Особенно опасны личинки старших возрастов, которые потребляют больше листовой массы и быстро перемещаются между растениями.

Основная проблема химической защиты — способность жука формировать устойчивость к действующим веществам. При многократном использовании препаратов одной группы чувствительные особи погибают, а устойчивые выживают и передают эту особенность потомству.

В результате эффективность привычной схемы обработок постепенно снижается, и хозяйству приходится:

• менять действующие вещества;
• чередовать химические группы;
• увеличивать количество обследований;
• точнее выбирать срок обработки;
• применять комбинированные системы защиты;
• искать альтернативные методы контроля.

Лазер действует физически, а не биохимически. Поэтому обычная устойчивость к действующему веществу, как при использовании инсектицида, сформироваться не может.

Может ли жук приспособиться к лазеру

Получить устойчивость к сильному локальному нагреву организму значительно сложнее, чем к химическому препарату. Однако это не означает, что технология полностью исключает адаптацию вредителя.

Теоретически со временем могут закрепляться особенности поведения, которые затрудняют обнаружение:

• активность преимущественно в ночные часы;
• более частое нахождение на нижней стороне листа;
• уход в густую ботву;
• ускоренная реакция на шум или движение дрона;
• выбор более закрытых участков растения.

Поэтому точнее говорить, что лазер исключает привычную химическую резистентность, но не обязательно все возможные формы приспособления популяции.

Главное преимущество — точечное воздействие

Инсектицидный опрыскиватель обрабатывает всю площадь независимо от того, сколько вредителей реально находится на каждом участке.

Лазерная система должна воздействовать только там, где камера обнаружила жука или личинку. Если распознавание окажется достаточно точным, хозяйство получит несколько преимуществ:

• отсутствие сплошного внесения инсектицида;
• снижение расхода химических средств;
• возможность работать по устойчивым популяциям;
• уменьшение остатков пестицидов в урожае;
• снижение нагрузки на почву и воду;
• меньшее воздействие на полезных насекомых;
• автоматический учёт численности вредителя;
• создание карты очагов заселения поля.

Система сможет не только уничтожать жуков, но и собирать данные о распространении вредителя. На их основе можно оценивать динамику численности и точнее планировать последующие меры защиты.

Почему распознать жука на поле сложно

На демонстрационном изображении колорадского жука распознать сравнительно легко: он имеет характерную жёлто-чёрную окраску и контрастные полосы на надкрыльях.

На реальном поле условия значительно сложнее.

Камере будут мешать:

• движение листьев от ветра;
• перекрытие насекомых ботвой;
• изменение освещения;
• тени;
• пыль;
• капли воды;
• повреждения листьев;
• растительные остатки;
• разный размер личинок;
• движение дрона.

Часть взрослых жуков и личинок находится на нижней стороне листа. Камера, расположенная над растением, может их не увидеть. Лазер также не способен воздействовать через листовую пластину.

Поэтому реальная эффективность будет зависеть не только от мощности луча, но и от того, какую долю вредителей система сможет обнаружить.

Скорость может стать главным ограничением

На одном гектаре картофеля могут находиться тысячи жуков и личинок. Каждую цель необходимо обнаружить, проверить, точно навести луч и удерживать его достаточное время.

Даже если на одного вредителя потребуется одна секунда, обработка участка с 10 тысячами целей займёт почти три часа чистого времени. При более продолжительном воздействии производительность снизится ещё сильнее.

На скорость будут влиять:

• плотность вредителя;
• высота и густота ботвы;
• качество распознавания;
• время наведения;
• необходимая длительность импульса;
• скорость полёта;
• частота замены аккумуляторов;
• погодные условия.

Именно производительность в гектарах за час станет одним из главных показателей при сравнении лазера с обычным опрыскивателем.

Пока опубликованных данных о полевой производительности системы нет.

Сколько будет стоить лазерная обработка

Коммерческая стоимость технологии пока не объявлена. Неизвестны:

• цена дрона и лазерного модуля;
• ресурс источника излучения;
• расход электроэнергии;
• стоимость аккумуляторов;
• производительность за смену;
• потребность в операторе;
• затраты на обслуживание и ремонт;
• точность уничтожения вредителей;
• стоимость обработки одного гектара.

Обычный инсектицидный опрыскиватель способен обработать большую площадь за короткое время. Чтобы конкурировать с ним, лазерная система должна либо обеспечить сопоставимую стоимость, либо давать хозяйству дополнительные преимущества — например, возможность выращивать органическую продукцию без химических обработок.

На первом этапе технология, вероятнее всего, будет интересна не для всех промышленных посадок, а для:

• семеноводческих участков;
• органического картофелеводства;
• небольших полей;
• очаговой обработки;
• тепличных хозяйств;
• участков с устойчивыми популяциями вредителя;
• зон с ограничениями по применению инсектицидов.

Безопасность лазера остаётся серьёзным вопросом

Лазер мощностью 50 Вт способен повреждать ткани насекомого, но одновременно представляет опасность для глаз человека и животных.

Для использования на открытом поле системе понадобятся:

• автоматическое отключение при появлении людей;
• распознавание животных и птиц;
• контроль направления луча;
• ограничение высоты и зоны работы;
• защита от случайного отражения;
• блокировка при потере связи;
• точное геопозиционирование;
• требования к оператору и ограждению участка.

Разработчики рассматривают переход к длине волны, которая будет менее опасной для зрения, однако безопасная эксплуатация ещё должна быть подтверждена полевыми испытаниями.

Отдельный риск связан с сухой растительностью. Мощный лазер при ошибочном или слишком продолжительном воздействии может повредить листья и теоретически создать источник возгорания.

Может ли лазер повредить картофель

Чтобы уничтожить жука, система должна передать ему достаточное количество энергии. Но вредитель находится непосредственно на листе.

Если луч будет наведен неточно или задержится дольше необходимого, он может вызвать:

• ожог листовой пластинки;
• отмирание небольшого участка ткани;
• снижение фотосинтезирующей поверхности;
• повреждение точки роста;
• возгорание сухих растительных остатков.

На одном растении несколько небольших ожогов могут быть несущественными. Но при массовых ошибках повреждение ботвы станет заметным.

Поэтому перед применением необходимо определить минимальную эффективную дозу, которая уничтожает насекомое и не причиняет существенного вреда растению.

Когда технология сможет выйти в поле

До промышленного применения разработчикам предстоит провести несколько этапов испытаний:

1. Проверить распознавание вредителя на разных сортах картофеля.
2. Оценить работу при ветре, пыли и различном освещении.
3. Определить долю жуков, скрытых под листьями.
4. Подобрать безопасную мощность и длительность импульса.
5. Измерить производительность в гектарах за час.
6. Сравнить эффективность с инсектицидной обработкой.
7. Рассчитать стоимость работы.
8. Подтвердить безопасность для людей, растений и полезных насекомых.
9. Провести многогектарные полевые испытания.
10. Получить разрешения для эксплуатации лазерного оборудования.

Пока подтверждена сама возможность поразить жука лазером и создать достаточно лёгкий модуль для размещения на беспилотнике. Экономическая эффективность на настоящем поле ещё не доказана.

Заменит ли лазер инсектициды

В ближайшее время — вряд ли. Опрыскивание остаётся значительно более быстрым и отработанным способом защиты больших площадей.

Но лазер может занять отдельную нишу там, где химические обработки нежелательны, запрещены или уже не обеспечивают достаточной эффективности.

Наиболее реалистичный сценарий — не полная замена инсектицидов, а включение технологии в интегрированную систему защиты:

• мониторинг поля камерой;
• лазерное уничтожение отдельных очагов;
• биологические препараты;
• механические и агротехнические меры;
• применение инсектицида только при превышении порога вредоносности.

Такой подход позволит уменьшить количество сплошных обработок и одновременно сохранить контроль над численностью вредителя.

Главный вывод

Лазер против колорадского жука — не фантастика: лабораторные эксперименты подтвердили, что взрослого вредителя и личинку можно уничтожить точечным энергетическим воздействием.

Технология действительно способна обойти проблему устойчивости к инсектицидам и сократить химическую нагрузку на поле. Но сегодня она остаётся экспериментальной.

Главные вопросы пока открыты: сколько гектаров дрон сможет обработать за смену, какую долю жуков обнаружит в густой ботве, сколько будет стоить работа и удастся ли обеспечить безопасность людей и растений.

Источники

1. SPIE Photonics Europe: проект фотонной системы для уничтожения колорадского жука
2. Photonic Insecticides: описание и результаты испытаний лазерного модуля
3. ScienceDirect: система обнаружения колорадского жука с помощью компьютерного зрения