光学技術が農家に生産量を高める新たな方法を提供
最適化された光学エミッタとセンサを導入することで、生産者は資源利用をより適切に管理し、収量を増加させることが可能になります。
光学技術が現代農業にもたらすインパクト
光学技術が農家に生産量を高める新たな方法を提供
農業は現在、複数の側面から同時に圧迫されています。農家は、淡水など主要な資源の不足、作物の栽培と収穫、家畜の飼育に従事する人材の不足などの障害に阻まれながら、現在の82億人から2037年には90億人にまで増加することが見込まれている世界人口の食糧ニーズを満たすために生産量を増やす必要性に迫られています。国連の予測によると、世界人口は2080年代半ばにピークを迎え、103億人に達すると予想されています。
気候変動と人口の圧力から、以前「緑の革命」が起こりました。このときは、肥料使用の改善、より集中的な機械化、遺伝子のブレークスルーを通じて、1ヘクタールあたりのトン数がより多く、干ばつや病気、その他ストレス要因により強い種子の品種を育てることにより、収量の増加につなげました。これらの方法によって大きな収穫がもたらされたものの、今これらを技術的に修正しても、見返りはあまり多くありません。今こそ、未来型の農場で、農業に新しいスマートテクノロジーを導入する時です。
これらのスマートテクノロジーには、屋内農園の照明、農産物の非破壊検査用光センサ、農業ロボットの光学ナビゲーションシステムなどが含まれます。ams OSRAMは、地球上のすべての人が依存しているこの産業に、その光半導体技術を提供する態勢が整っています。
最適な照明による屋内農園で水分ストレスを緩和
2024年の『Journal of Water Process Engineering』に掲載された論文によると、「約40億人が深刻な水不足に直面」しています。地球温暖化や都市化などの要因は水不足の重要な原因となっていますが、同論文によると、全淡水の80～90%が農業で消費されている一方で、その水の平均使用効率はわずか45%となっています。
水を節約する必要性は、増加中の屋内農園や温室を勢いづけることになりました。これは、こういった施設ではクローズドループ方式の水処理を導入し、作物から放出される蒸気を収集してリサイクルし、灌漑に使用できるためです。
地域の都市コミュニティにサービスを提供し、サラダ菜やトマト、イチゴなどの傷みやすい作物を栽培する屋内農園は、栽培が消費者や販売店の近くで行われるため、フードマイル（食料の生産地から消費地までの距離）を劇的に削減することにより、農業の気候への影響を軽減することができます。
また、屋内農園は高効率LEDのアプリケーションにおける改良によって、経済的な魅力がさらに高まっています。白色光を出力するLEDの場合もありますが、最も効率的な成長光を提供する青色やハイパーレッドの発光素子を組み合わせたものがますます増えています。
ams OSRAMのLEDは、その品質と電力変換効率（どのくらいの電力が直接光に変換されるかを表す）で高く評価されています。園芸用LEDの品質は生産性に強く影響します。植物ごとに波長の混合、強度、ビームパターンを厳密に制御した光の照射を可能にする照明器具によって、生産者は各植物種に対して照明を確実に最適化することができ、入力する電力を可能な限り抑えながら、最高の収量を生み出すために役立ちます。さらに研究では、分光的に最適化されたアクティブな照明により、作物に使用する農薬の量を大幅に削減できることが示されています。
温室では、LED照明と光センサを組み合わせ、どのくらいの太陽光が作物に到達しているかを測定し、さらに周囲光のスペクトル特性を分析することもできます。このデータを使用することで、生産者は自然光をLED照明で補い、植物に最適な照明の強度と色を提供するタイミングを判断することができ、同時に十分な周囲光が利用可能なときには、人工照明をオフにしたり、強度を下げたりすることで、電力とコストを節減することもできます。
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距離に応じて、ダイレクトタイムオブフライト（dToF: direct Time-of-Flight）や近接センサが役立つこともあります。これらのセンサで植物と照明器具の間の距離を測定することで、植物が照明に向かって成長するに伴い、LEDに供給される電力を減らすことができます。これは、植物のより高い位置の葉がより低い部分に影を作る傾向を考慮しています。この植物の近接性に応じて出力を調整する機能がないと、植物が光合成に使用できる分以上の光を照明器具が生み出し、電力の無駄につながります。
非破壊検査で食品廃棄物を最小限に減少
国連環境計画（UNEP）によると、2022年に世界では10億5000万トンの食品廃棄物が発生しており、これは1人あたり132kgに相当します。UNEPによれば、2022年に廃棄された全食品のうち、60%が世帯レベルで発生しており、残りは食品サービスが28%、小売が12%となっています。
さらに上流でも、作物が農場から輸送されるとき、さらには農場自体でも廃棄物が発生しています。これは一部には、生産者が複雑なサプライチェーンを通じて作物を出荷することの難しさによるものです。収穫からスーパーの棚に並ぶまで、場合によっては数週間かかることもある中で、生産者は作物が成熟するまでの時間を長期的に予測する必要があります。収穫が遅すぎると、作物は顧客に届く前に傷んでしまい、食品廃棄物の山に追加される可能性があります。早すぎても作物が成長しきらず、良品数が制限され、生産者の利益が脅かされます。
近赤外分光法（NIR）は、作物の状態を農場から食卓まで監視する方法を提供し、食品が消費される前に傷んでしまうときに発生する廃棄物を減らすために役立ちます。NIR分光法は、材料分析のために確立された科学分野です。果物などの作物で糖分と水分を測定するために使用することができ、これらの数値は、果物の成熟度に尺度を提供します。
この分光光度計は、測定対象の作物に向けて照射されたNIR光源からの反射を測定することにより、非破壊的に運用されます。従来、NIR分光光度計は、高額な大型実験装置を必要としてきたため、農場や倉庫、スーパーでの使用には適していませんでした。
しかし現在では、可視スペクトルとNIRスペクトルに感度を提供するチップスケールのスペクトルセンサを低コストのポータブルな分光光度計に組み込み、生産者や食品加工業者、小売業者による使用に提供することができます。AS7343のようなスペクトルセンサには、収穫から選別、販売まで、数多くのアプリケーションがあります。
新しい研究では、例えば、植物組織の分析、作物の品質と収穫量の評価、栄養測定、ストレスに対する植物の反応評価など、屋内農業におけるスペクトルセンシングと光学センシングの適用範囲についても説明されています。
高度な自動化で従業員の過剰な負担を軽減
ドローンは一般に、地上構造物を上から見て表示するソリューションや風力タービンのようなアクセスできない領域の検査に使用され、一方ロボットは製造や物流におけるタスクをサポートしています。しかし、実はこれら両方のテクノロジーが、迫り来る農業従事者不足に対する解決策の提供に役立つ可能性があります。
特に、世界の高度に工業化された地域では、人口の高齢化が進み、現役労働者に対する退職者の割合が上昇しています。このため、生産年齢人口の取り合いが経済のあらゆる分野にわたって深刻になりつつあります。農業では、この傾向を確かに感じ取ることができます。欧州連合の調によると、ヨーロッパの農場経営者の57.6%が54歳以上であり、40歳未満はわずか11.9%に留まっています。ヨーロッパの農業は、現在の農業従事者群が退職すると、労働力の危機に直面します。
自動化は多くの面で、農場の労働者不足による影響を緩和することができます。ロボットは現在、除草や播種などの栽培機能に使用されています。ロボットに取り付けられた青色レーザーなどの強力な光源は雑草を殺すために使用でき、紫外線LEDは播種のために土壌を準備し、農薬の使用を減少することができます。人工知能（AI）は、堅牢なイメージセンサによって撮影された葉の写真を分析することで、ロボットが植物の種類を判別することを可能にしつつあります。
除草、播種、耕作などの作業から農場労働者を解放するためには、ロボットやトラクターが自律的にナビゲーションできる必要があります。ここでは、さまざまな測距センサや検出センサが、機器による環境の把握、物体の検出と回避、位置情報機能と地図作成機能の同時実行を可能にします。
自動化はドローンでの飛行の形をとることもでき、農業従事者は農場のデスクから自分の農地のマッピングやモニタリングを行うことができます。光学センサ技術もここで活躍します。例えば、短波長赤外線（SWIR）センサ技術で土壌中の水分を空中の高所から測定したり、カメラで農地の作物の状態を遠隔監視したりすることができます。
社会と生産者の両方にとっての改善
先進的な光半導体のアプリケーションは、テクノロジーに精通した新世代の農家が生産性を高め、業務を自動化することを可能にすると同時に、水や農薬、肥料などの資源投入を減少させます。革新的な光学技術がもたらす可能性を受け入れることで、農業は気候変動や高齢化人口の課題に直面しながらも、増加する世界人口に食料を供給し続けることができます。