農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展。縱觀(guān)歷史，該行業(yè)利用了技術(shù)進(jìn)步，主要提升了生產(chǎn)力和食品質(zhì)量。然而，農(nóng)業(yè)正面臨新的挑戰(zhàn)，如氣候變化和對(duì)產(chǎn)品強(qiáng)勁的需求。這就是為什么創(chuàng)新解決方案的尋求比以往任何時(shí)候都更加緊迫。最近的研究和項(xiàng)目表明，增材制造可能是解決方案。那么，3D打印在農(nóng)業(yè)中到底扮演什么角色？

盡管3D打印尚未成為農(nóng)業(yè)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用的技術(shù)，但一些專(zhuān)業(yè)應(yīng)用已為新可能性鋪平了道路。我們已經(jīng)看到增材制造為直接影響農(nóng)業(yè)的實(shí)踐帶來(lái)了好處，比如養(yǎng)蜂。不過(guò)仍有一些空白需要填補(bǔ)。

如果你在歷史課上認(rèn)真聽(tīng)講，你會(huì)知道農(nóng)業(yè)一直是所有文明的根基，甚至早于科學(xué)和文字。農(nóng)業(yè)實(shí)踐伴隨人類(lèi)約12,000年，自其出現(xiàn)以來(lái)，農(nóng)業(yè)通過(guò)改變生活方式徹底改變了歷史。事實(shí)上，能夠種植食物正是促成了所有定居點(diǎn)的誕生，進(jìn)而又促成了社會(huì)的建立。

農(nóng)業(yè)的重要性幾千年來(lái)未曾改變，因?yàn)樗菄?guó)家自主發(fā)展和財(cái)富的戰(zhàn)略活動(dòng)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)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。這些數(shù)據(jù)是2019年一項(xiàng)研究的一部分，該研究還顯示，全球近一半的人口生活在與這些農(nóng)業(yè)食品系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的家庭中。

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，農(nóng)業(yè)工作深植于體力勞動(dòng)。工業(yè)革命后，隨著機(jī)械的引入，農(nóng)業(yè)幾乎完全改變，機(jī)器使體力勞動(dòng)變得合理化。從19世紀(jì)末到整個(gè)20世紀(jì)，拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)和犁等機(jī)械的使用變得不可或缺。

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)邁出了新一步，將信息技術(shù)融入其活動(dòng)中，農(nóng)業(yè)科技一詞也因此出現(xiàn)。后者指的是利用車(chē)輛、無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)器人、掃描儀、計(jì)算機(jī)、軟件等技術(shù)來(lái)優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。那么，讓我們更具體地看看增材制造在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，看看它如何徹底改變了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。

3D打印在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用有哪些？

當(dāng)我們想到3D打印在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用時(shí)，可能會(huì)想到工具制造、備件或其在拖拉機(jī)生產(chǎn)中的應(yīng)用。然而，還有許多其他發(fā)展、研究項(xiàng)目和具體應(yīng)用將3D打印納入其中。雖然3D打印技術(shù)尚未像醫(yī)學(xué)或汽車(chē)行業(yè)那樣全面應(yīng)用于農(nóng)業(yè)，但本文將展示它正在逐步推進(jìn)。為此，我們將從最重要的應(yīng)用開(kāi)始。

利用增材工藝制造機(jī)器

增材制造已在汽車(chē)和交通行業(yè)普及，類(lèi)似的應(yīng)用也出現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機(jī)械制造中。例如，2022年，著名制造商約翰迪爾在一年內(nèi)通過(guò)增材制造生產(chǎn)了超過(guò)4000個(gè)零件。這是其在德國(guó)曼海姆專(zhuān)業(yè)中心實(shí)施增材制造的第一步。

另一個(gè)例子是Teyme。這家西班牙公司使用惠普的Multi Jet Fusion技術(shù)制造空氣出口適配器和空氣葉片定位器等零件。這些都是其生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械所包含的。

定制工具的發(fā)展

3D打印使得能夠快速且經(jīng)濟(jì)地原型化，滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)需求。例如，可以根據(jù)每個(gè)農(nóng)民的具體條件定制機(jī)械零件和灌溉設(shè)備。它們甚至可以是特定機(jī)器的備件，比如已停產(chǎn)但仍需的工具。

更重要者，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)這些工具免除了農(nóng)民的出差和等待時(shí)間，避免了可能中斷農(nóng)業(yè)活動(dòng)的等待時(shí)間。最后，增材制造的普及化可以讓大小農(nóng)場(chǎng)都能使用并受益于這項(xiàng)技術(shù)。

制造傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器和用于監(jiān)測(cè)土壤狀況（如濕度、風(fēng)和天氣等因素）的設(shè)備，可以被3D打印。它們被整合進(jìn)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，以改善作物決策。

無(wú)人機(jī)和機(jī)器人的增材制造

一些無(wú)人機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人已被3D打印。它們標(biāo)志著自動(dòng)化技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用上的一個(gè)里程碑。近年來(lái)，研究表明這些設(shè)備能夠執(zhí)行作物監(jiān)測(cè)、播種以及精準(zhǔn)施用化肥和農(nóng)藥等任務(wù)。

例如，意大利公司Soleon，專(zhuān)注于無(wú)人機(jī)應(yīng)用和無(wú)人機(jī)，曾邀請(qǐng)Materialise的增材制造服務(wù)公司開(kāi)發(fā)Soleon Dis-co。為了解決歐洲玉米螟這一能毀滅大量作物的害蟲(chóng)問(wèn)題，索利昂和Materialise設(shè)計(jì)了農(nóng)藥輸送系統(tǒng)。然而，他們使用了以歐洲玉米鉆蛀蟲(chóng)為食的黃蜂——Trichogramma卵，提供了天然的解決方案。在這種情況下，無(wú)人機(jī)采用了 SLS 工藝以 PA12 打印。

種子和幼苗用可降解容器的生產(chǎn)

3D打印還可以用于制作可生物降解的容器或花盆，用于種子或幼苗。這樣可以讓種植更簡(jiǎn)單，減少對(duì)環(huán)境的影響。

灌溉組件的生產(chǎn)

通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的3D打印組件，灌溉系統(tǒng)可以得到改進(jìn)。例如，噴嘴和連接器優(yōu)化了水的分配并減少了浪費(fèi)。

害蟲(chóng)防治設(shè)備的增材制造

從昆蟲(chóng)捕蟲(chóng)器開(kāi)始，增材制造使得設(shè)計(jì)和制造針對(duì)不同害蟲(chóng)類(lèi)型的專(zhuān)用捕蟲(chóng)器成為可能。這些陷阱可以?xún)?yōu)化以吸引和捕捉昆蟲(chóng)。接下來(lái)，我們可以在信息素釋放裝置中找到應(yīng)用，這些化學(xué)物質(zhì)設(shè)計(jì)用來(lái)吸引或驅(qū)趕昆蟲(chóng)。它們可以通過(guò)3D打印制造，并設(shè)計(jì)為可控色散。

水平農(nóng)業(yè)

增材制造的另一個(gè)應(yīng)用是生產(chǎn)用于小空間的水平作物。意大利公司Hexagro是該應(yīng)用的專(zhuān)家。它利用3D打印工藝創(chuàng)建模塊化、可定制的結(jié)構(gòu)，并可根據(jù)每個(gè)空間和作物類(lèi)型的具體需求進(jìn)行調(diào)整。

這包括制造托盤(pán)、支撐結(jié)構(gòu)和灌溉渠道，設(shè)計(jì)優(yōu)化植物生長(zhǎng)及高效水資源和養(yǎng)分管理。快速生產(chǎn)定制組件的能力顯著降低了開(kāi)發(fā)成本和交貨周期，使Hexagro能夠持續(xù)創(chuàng)新和改進(jìn)其不斷發(fā)展的系統(tǒng)。

科學(xué)研究與增材制造的作用

近年來(lái)，農(nóng)業(yè)研究得到了顯著發(fā)展，這得益于技術(shù)進(jìn)步，重新定義了傳統(tǒng)做法。在這些創(chuàng)新中，3D打印正作為一種革命性工具崛起，有望幫助重新定義現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。3D打印與農(nóng)業(yè)的融合，有望為農(nóng)業(yè)資源的種植和管理方式開(kāi)啟新紀(jì)元。

農(nóng)業(yè)材料的進(jìn)步

熱塑性塑料在農(nóng)業(yè)中被廣泛使用。然而，它們產(chǎn)生的廢棄物直接影響土壤健康，影響生物多樣性。為解決這些問(wèn)題，聯(lián)合國(guó)提出的“6R模式”（拒絕、重新設(shè)計(jì)、減少、再利用、回收和回收）等解決方案被采用，農(nóng)民也越來(lái)越被鼓勵(lì)使用天然或可生物降解的替代品。最新研究發(fā)現(xiàn)了具有不同性質(zhì)材料的替代品。

例如，一份2021年的出版物提出4D打印作為制造農(nóng)業(yè)有用材料的主要工藝。該研究題為《4D打印：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打印的一種演進(jìn)，增加了時(shí)間的維度。在這種情況下，印刷物品由智能材料制成，能夠根據(jù)外部刺激（如熱量、光線(xiàn)、水或運(yùn)動(dòng)）改變形狀或性質(zhì)。雖然4D打印主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用較少甚至不存在。團(tuán)隊(duì)的研究顯示，如果將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。

4D打印會(huì)帶來(lái)什么？一些形狀記憶材料具有耐熱、抗磁、pH和滲透壓敏感性等特性，使其非常適合智能行為。研究團(tuán)隊(duì)提到的應(yīng)用包括食品包裝、農(nóng)業(yè)覆蓋物、遮陽(yáng)網(wǎng)或塑料溫室罩。鑒于FDM技術(shù)使得PLA及其他聚合物能夠?qū)崿F(xiàn)自成形和記憶效應(yīng)，這一相對(duì)“簡(jiǎn)單”的技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)有效、可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的工具。其他技術(shù)，如基于立體光刻技術(shù)，也展示了其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的潛力。

土壤研究中的3D打印

土壤是農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的關(guān)鍵元素之一，甚至可以說(shuō)是最重要的。其研究對(duì)于理解人類(lèi)活動(dòng)的影響以及水力、化學(xué)和微生物特性的影響至關(guān)重要。2020年，意大利帕多瓦大學(xué)進(jìn)行的一項(xiàng)研究還原了土壤結(jié)構(gòu)，以了解其工作原理。

為此，他們使用了X射線(xiàn)顯微斷層掃描，提取數(shù)據(jù)，并用3D Systems的ProJet 3510 HD打印機(jī)在樹(shù)脂中打印土壤結(jié)構(gòu)，這臺(tái)機(jī)器通過(guò)噴射材料工作。借助這些3D打印模型，得以重建土壤樣本的原始結(jié)構(gòu)，包括孔隙度和孔隙形狀。

盡管由于印刷過(guò)程中技術(shù)限制，孔隙間的導(dǎo)電性有所降低，團(tuán)隊(duì)仍能測(cè)量大多數(shù)原型的水力傳導(dǎo)率，顯示出高度相關(guān)性。這項(xiàng)研究推動(dòng)了土壤科學(xué)研究的前沿。

另一個(gè)利用增材制造進(jìn)行土壤研究的例子是美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)一個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)于2021年發(fā)表的一篇論文。該研究題為：3D打印生物活性土壤結(jié)構(gòu)，分析3D打印種子發(fā)芽土壤結(jié)構(gòu)的可能性。

為此，他們采用擠壓法打印無(wú)添加劑的土壤結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，當(dāng)水分含量得到適當(dāng)控制時(shí)，打印結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)發(fā)芽和植物生長(zhǎng)，盡管它們需要大量水分。雖然研究重點(diǎn)是證明“綠色屋頂”的可行性，但同樣的原理也適用于香菜、薄荷、歐芹、羅勒等香草的種植。

植物表型

農(nóng)業(yè)中的表型分析是指觀(guān)察和分析植物，以預(yù)測(cè)其在特定空間中的狀況的過(guò)程。更具體地說(shuō)，表型分析是植物遺傳信息與環(huán)境相互作用的結(jié)果，有助于更好地理解植物的生長(zhǎng)、發(fā)育及對(duì)環(huán)境條件的反應(yīng)。2024年發(fā)表的一項(xiàng)研究在增材制造應(yīng)用于植物表型鑒定方面樹(shù)立了里程碑。甜菜研究所（IFZ）與波恩大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)出一個(gè)3D打印植物模型，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的表型鑒定。

為了在數(shù)據(jù)收集和參數(shù)提取過(guò)程中提供參考工具，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了使用FDM技術(shù)的3D打印甜菜植株模型。這項(xiàng)創(chuàng)新研究由一名IFZ博士生完成。Jonas B?mer強(qiáng)調(diào)了該模型的重要性：“3D打印使我們能夠創(chuàng)建一個(gè)成本效益高的參考工具，以確保所收集數(shù)據(jù)的完整性。”

這項(xiàng)研究還廣泛利用了三維掃描進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。事實(shí)上，3D掃描使得創(chuàng)建高分辨率的數(shù)字作物模型成為可能，便于監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)和發(fā)育，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題。Jonas B?mer解釋道：“通過(guò)分析土壤，農(nóng)民可以改善土壤管理并實(shí)施防止侵蝕的措施。機(jī)器人與農(nóng)作物的互動(dòng)是另一個(gè)可以通過(guò)深度信息解讀來(lái)解決的問(wèn)題。例如，自動(dòng)化溫室中的水果采收，減少并簡(jiǎn)化了勞動(dòng)密集型的采摘任務(wù)。”

養(yǎng)蜂中的3D打印

養(yǎng)蜂業(yè)與農(nóng)業(yè)密切相關(guān)。養(yǎng)蜂在農(nóng)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，因?yàn)樗鼘?duì)授粉過(guò)程有著至關(guān)重要的作用，而授粉過(guò)程是許多植物和作物繁殖的重要機(jī)制。根據(jù)糧農(nóng)組織的數(shù)據(jù)，授粉物種直接影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的35%，間接影響75%。除了20萬(wàn)種蜜蜂參與授粉外，2萬(wàn)種蜜蜂是卓越的傳粉者。

蜜蜂與作物之間的相互依賴(lài)不僅強(qiáng)調(diào)了保護(hù)和支持養(yǎng)蜂實(shí)踐的必要性，也強(qiáng)調(diào)保護(hù)蜜蜂的重要性。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。

為了解決影響蜜蜂物種的一些問(wèn)題，養(yǎng)蜂人通過(guò)增材制造找到了解決方案。例如，墨西哥一位碩士生最近開(kāi)發(fā)了一個(gè)樹(shù)脂打印蜂箱，以刺激蜜蜂的蜂蜜生產(chǎn)。還值得一提的是英國(guó)的LACRIMA基金會(huì)，他們通過(guò)3D打印木質(zhì)蜂箱來(lái)保護(hù)蜂群。其LacriNest蜂箱采用材料擠壓工藝打印，為蜜蜂提供一個(gè)自然、未受干擾的生態(tài)系統(tǒng)。

基金會(huì)創(chuàng)始人兼主席文斯·穆查在接受我們團(tuán)隊(duì)采訪(fǎng)時(shí)表示：“我們的3D打印蜂箱采用一種特殊且完全可生物降解的材料——木材復(fù)合材料，這使其區(qū)別于傳統(tǒng)蜂箱和其他3D打印解決方案。這種材料和我們木質(zhì)蜂箱的設(shè)計(jì)不僅確保了環(huán)境可持續(xù)性，還提供了卓越的隔熱和耐用性，為蜜蜂創(chuàng)造了最佳環(huán)境，提升了它們的健康和生產(chǎn)力。”

正如全球多項(xiàng)研究所示，蜜蜂因大量農(nóng)藥使用、棲息地破壞以及氣候變化等因素而瀕危。蜜蜂數(shù)量減少不僅影響蜂蜜及其他養(yǎng)蜂產(chǎn)品的生產(chǎn)，也影響了多種作物的授粉。這并非近期出現(xiàn)的問(wèn)題;最早的警示信號(hào)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)。其中一個(gè)解決方案正是建造蜂箱，為它們提供筑巢棲息地。

LACRIMA的創(chuàng)始人補(bǔ)充道：“通過(guò)鼓勵(lì)本地生產(chǎn)、減少運(yùn)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(shí)踐。它們還可以成為綜合害蟲(chóng)管理系統(tǒng)的一部分，減少對(duì)化學(xué)處理的需求。”

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的3D打印未來(lái)會(huì)怎樣？

上述項(xiàng)目、應(yīng)用、已識(shí)別的益處及已觀(guān)察到的結(jié)果證實(shí)了3D打印在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有發(fā)展?jié)摿ΑＴ谀撤N程度上，這項(xiàng)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(xiàng)目證實(shí)了其潛力巨大且充滿(mǎn)希望。

鑒于農(nóng)業(yè)是一個(gè)非常古老的行業(yè)，其實(shí)踐不僅根植于特定技術(shù)，也深受傳統(tǒng)影響，我們不妨問(wèn)，像增材制造這樣創(chuàng)新的技術(shù)是否能在農(nóng)業(yè)中占有一席之地？因?yàn)槿绻麄鹘y(tǒng)做法在實(shí)地被保留，那一定有原因，不是嗎？事實(shí)上，農(nóng)業(yè)部門(mén)從不放過(guò)創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。雖然3D打印的應(yīng)用尚未普及，但其他技術(shù)已被利用。

目前，最顯著的進(jìn)展體現(xiàn)在科學(xué)研究方面。專(zhuān)家們不僅關(guān)注一個(gè)主題，還在尋找當(dāng)前問(wèn)題的解決方案。這里提到的研究例子只是中國(guó)等領(lǐng)域更為突出國(guó)家必須存在的眾多研究中的一部分。隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和增材制造研究的發(fā)現(xiàn)，我們預(yù)計(jì)將被更廣泛地采用，甚至帶來(lái)更多顛覆性的創(chuàng)新。

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