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農業不斷發展。縱觀歷史，該行業利用了技術進步，主要提升了生產力和食品質量。然而，農業正面臨新的挑戰，如氣候變化和對產品強勁的需求。這就是為什么創新解決方案的尋求比以往任何時候都更加緊迫。最近的研究和項目表明，增材制造可能是解決方案。那么，3D打印在農業中到底扮演什么角色？
盡管3D打印尚未成為農業實踐中廣泛應用的技術，但一些專業應用已為新可能性鋪平了道路。我們已經看到增材制造為直接影響農業的實踐帶來了好處，比如養蜂。不過仍有一些空白需要填補。
如果你在歷史課上認真聽講，你會知道農業一直是所有文明的根基，甚至早于科學和文字。農業實踐伴隨人類約12,000年，自其出現以來，農業通過改變生活方式徹底改變了歷史。事實上，能夠種植食物正是促成了所有定居點的誕生，進而又促成了社會的建立。
農業的重要性幾千年來未曾改變，因為它是國家自主發展和財富的戰略活動。根據聯合國糧農組織（FAO）的數據，有12.3億人在農業食品系統中工作。這些數據是2019年一項研究的一部分，該研究還顯示，全球近一半的人口生活在與這些農業食品系統相關聯的家庭中。
幾個世紀以來，農業工作深植于體力勞動。工業革命后，隨著機械的引入，農業幾乎完全改變，機器使體力勞動變得合理化。從19世紀末到整個20世紀，拖拉機、聯合收割機和犁等機械的使用變得不可或缺。
近年來，農業邁出了新一步，將信息技術融入其活動中，農業科技一詞也因此出現。后者指的是利用車輛、無人機、衛星、機器人、掃描儀、計算機、軟件等技術來優化農業生產。那么，讓我們更具體地看看增材制造在農業領域的應用，看看它如何徹底改變了農業領域。
當我們想到3D打印在農業中的應用時，可能會想到工具制造、備件或其在拖拉機生產中的應用。然而，還有許多其他發展、研究項目和具體應用將3D打印納入其中。雖然3D打印技術尚未像醫學或汽車行業那樣全面應用于農業，但本文將展示它正在逐步推進。為此，我們將從最重要的應用開始。
增材制造已在汽車和交通行業普及，類似的應用也出現在農業機械制造中。例如，2022年，著名制造商約翰迪爾在一年內通過增材制造生產了超過4000個零件。這是其在德國曼海姆專業中心實施增材制造的第一步。
另一個例子是Teyme。這家西班牙公司使用惠普的Multi Jet Fusion技術制造空氣出口適配器和空氣葉片定位器等零件。這些都是其生產的農業機械所包含的。
3D打印使得能夠快速且經濟地原型化，滿足農業需求。例如，可以根據每個農民的具體條件定制機械零件和灌溉設備。它們甚至可以是特定機器的備件，比如已停產但仍需的工具。
更重要者，現場生產這些工具免除了農民的出差和等待時間，避免了可能中斷農業活動的等待時間。最后，增材制造的普及化可以讓大小農場都能使用并受益于這項技術。
物聯網（IoT）傳感器和用于監測土壤狀況（如濕度、風和天氣等因素）的設備，可以被3D打印。它們被整合進智能農業系統，以改善作物決策。
一些無人機和農業機器人已被3D打印。它們標志著自動化技術在現場應用上的一個里程碑。近年來，研究表明這些設備能夠執行作物監測、播種以及精準施用化肥和農藥等任務。
例如，意大利公司Soleon，專注于無人機應用和無人機，曾邀請Materialise的增材制造服務公司開發Soleon Dis-co。為了解決歐洲玉米螟這一能毀滅大量作物的害蟲問題，索利昂和Materialise設計了農藥輸送系統。然而，他們使用了以歐洲玉米鉆蛀蟲為食的黃蜂——Trichogramma卵，提供了天然的解決方案。在這種情況下，無人機采用了 SLS 工藝以 PA12 打印。
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單，減少對環境的影響。
通過設計專用的3D打印組件，灌溉系統可以得到改進。例如，噴嘴和連接器優化了水的分配并減少了浪費。
從昆蟲捕蟲器開始，增材制造使得設計和制造針對不同害蟲類型的專用捕蟲器成為可能。這些陷阱可以優化以吸引和捕捉昆蟲。接下來，我們可以在信息素釋放裝置中找到應用，這些化學物質設計用來吸引或驅趕昆蟲。它們可以通過3D打印制造，并設計為可控色散。
增材制造的另一個應用是生產用于小空間的水平作物。意大利公司Hexagro是該應用的專家。它利用3D打印工藝創建模塊化、可定制的結構，并可根據每個空間和作物類型的具體需求進行調整。
這包括制造托盤、支撐結構和灌溉渠道，設計優化植物生長及高效水資源和養分管理。快速生產定制組件的能力顯著降低了開發成本和交貨周期，使Hexagro能夠持續創新和改進其不斷發展的系統。
近年來，農業研究得到了顯著發展，這得益于技術進步，重新定義了傳統做法。在這些創新中，3D打印正作為一種革命性工具崛起，有望幫助重新定義現代農業。3D打印與農業的融合，有望為農業資源的種植和管理方式開啟新紀元。
熱塑性塑料在農業中被廣泛使用。然而，它們產生的廢棄物直接影響土壤健康，影響生物多樣性。為解決這些問題，聯合國提出的“6R模式”（拒絕、重新設計、減少、再利用、回收和回收）等解決方案被采用，農民也越來越被鼓勵使用天然或可生物降解的替代品。最新研究發現了具有不同性質材料的替代品。
例如，一份2021年的出版物提出4D打印作為制造農業有用材料的主要工藝。該研究題為《4D打印：可持續塑料生產的前景》，是帕特雷大學、希臘農業大學和意大利熱那亞理工學院合作的成果。
4D打印是3D打印的一種演進，增加了時間的維度。在這種情況下，印刷物品由智能材料制成，能夠根據外部刺激（如熱量、光線、水或運動）改變形狀或性質。雖然4D打印主要應用于醫學等領域，但在農業中的應用較少甚至不存在。團隊的研究顯示，如果將4D打印應用于農業，將有可能提高塑料在農業中的生物降解性以及環境、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。
4D打印會帶來什么？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。研究團隊提到的應用包括食品包裝、農業覆蓋物、遮陽網或塑料溫室罩。鑒于FDM技術使得PLA及其他聚合物能夠實現自成形和記憶效應，這一相對“簡單”的技術有望實現有效、可擴展且經濟實惠的工具。其他技術，如基于立體光刻技術，也展示了其在農業應用中的潛力。
土壤是農業實踐中的關鍵元素之一，甚至可以說是最重要的。其研究對于理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。2020年，意大利帕多瓦大學進行的一項研究還原了土壤結構，以了解其工作原理。
為此，他們使用了X射線顯微斷層掃描，提取數據，并用3D Systems的ProJet 3510 HD打印機在樹脂中打印土壤結構，這臺機器通過噴射材料工作。借助這些3D打印模型，得以重建土壤樣本的原始結構，包括孔隙度和孔隙形狀。
盡管由于印刷過程中技術限制，孔隙間的導電性有所降低，團隊仍能測量大多數原型的水力傳導率，顯示出高度相關性。這項研究推動了土壤科學研究的前沿。
另一個利用增材制造進行土壤研究的例子是美國弗吉尼亞大學一個跨學科團隊于2021年發表的一篇論文。該研究題為：3D打印生物活性土壤結構，分析3D打印種子發芽土壤結構的可能性。
為此，他們采用擠壓法打印無添加劑的土壤結構。結果顯示，當水分含量得到適當控制時，打印結構能夠促進發芽和植物生長，盡管它們需要大量水分。雖然研究重點是證明“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。
農業中的表型分析是指觀察和分析植物，以預測其在特定空間中的狀況的過程。更具體地說，表型分析是植物遺傳信息與環境相互作用的結果，有助于更好地理解植物的生長、發育及對環境條件的反應。2024年發表的一項研究在增材制造應用于植物表型鑒定方面樹立了里程碑。甜菜研究所（IFZ）與波恩大學合作，開發出一個3D打印植物模型，實現準確可靠的表型鑒定。
為了在數據收集和參數提取過程中提供參考工具，科學家們開發了使用FDM技術的3D打印甜菜植株模型。這項創新研究由一名IFZ博士生完成。Jonas B?mer強調了該模型的重要性：“3D打印使我們能夠創建一個成本效益高的參考工具，以確保所收集數據的完整性。”
這項研究還廣泛利用了三維掃描進行數據收集。事實上，3D掃描使得創建高分辨率的數字作物模型成為可能，便于監測作物的生長和發育，并及時發現潛在問題。Jonas B?mer解釋道：“通過分析土壤，農民可以改善土壤管理并實施防止侵蝕的措施。機器人與農作物的互動是另一個可以通過深度信息解讀來解決的問題。例如，自動化溫室中的水果采收，減少并簡化了勞動密集型的采摘任務。”
養蜂業與農業密切相關。養蜂在農業中扮演著至關重要的角色，因為它對授粉過程有著至關重要的作用，而授粉過程是許多植物和作物繁殖的重要機制。根據糧農組織的數據，授粉物種直接影響全球農業生產的35%，間接影響75%。除了20萬種蜜蜂參與授粉外，2萬種蜜蜂是卓越的傳粉者。
蜜蜂與作物之間的相互依賴不僅強調了保護和支持養蜂實踐的必要性，也強調保護蜜蜂的重要性。農藥、疾病和棲息地喪失等威脅正在阻礙全球農業的可持續性和生產力。
為了解決影響蜜蜂物種的一些問題，養蜂人通過增材制造找到了解決方案。例如，墨西哥一位碩士生最近開發了一個樹脂打印蜂箱，以刺激蜜蜂的蜂蜜生產。還值得一提的是英國的LACRIMA基金會，他們通過3D打印木質蜂箱來保護蜂群。其LacriNest蜂箱采用材料擠壓工藝打印，為蜜蜂提供一個自然、未受干擾的生態系統。
基金會創始人兼主席文斯·穆查在接受我們團隊采訪時表示：“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——木材復合材料，這使其區別于傳統蜂箱和其他3D打印解決方案。這種材料和我們木質蜂箱的設計不僅確保了環境可持續性，還提供了卓越的隔熱和耐用性，為蜜蜂創造了最佳環境，提升了它們的健康和生產力。”
正如全球多項研究所示，蜜蜂因大量農藥使用、棲息地破壞以及氣候變化等因素而瀕危。蜜蜂數量減少不僅影響蜂蜜及其他養蜂產品的生產，也影響了多種作物的授粉。這并非近期出現的問題;最早的警示信號出現在上個世紀。其中一個解決方案正是建造蜂箱，為它們提供筑巢棲息地。
LACRIMA的創始人補充道：“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農業實踐。它們還可以成為綜合害蟲管理系統的一部分，減少對化學處理的需求。”
上述項目、應用、已識別的益處及已觀察到的結果證實了3D打印在農業領域具有發展潛力。在某種程度上，這項技術在農業領域仍處于起步階段。然而，這里討論的項目證實了其潛力巨大且充滿希望。
鑒于農業是一個非常古老的行業，其實踐不僅根植于特定技術，也深受傳統影響，我們不妨問，像增材制造這樣創新的技術是否能在農業中占有一席之地？因為如果傳統做法在實地被保留，那一定有原因，不是嗎？事實上，農業部門從不放過創新的機會。雖然3D打印的應用尚未普及，但其他技術已被利用。
目前，最顯著的進展體現在科學研究方面。專家們不僅關注一個主題，還在尋找當前問題的解決方案。這里提到的研究例子只是中國等領域更為突出國家必須存在的眾多研究中的一部分。隨著技術的持續發展和增材制造研究的發現，我們預計將被更廣泛地采用，甚至帶來更多顛覆性的創新。
