농업 혁명: 지능형 로봇이 전 세계 농업을 어떻게 변화시키는가

농업 로봇은 전 세계 농부들에게 가치 있는 도구임이 입증되었습니다. 농업 자동화 및 개선 방식과 조달 방법을 알아보세요.

농업은 산업혁명 이래 점점 더 기계화되고 자동화되었습니다. 인공지능(AI)이 이 자동화를 더 높은 수준으로 끌어올립니다. AI 활용은 이제 '정밀 농업(precision agriculture)'이라 불리는 분야와 교차합니다. 비료, 살충제, 제초제, 물 같은 투입량은 줄이면서 수확량은 늘리는 것이 핵심입니다.

전 세계 농업 로봇 연간 시장 규모는 2021년 약 245억 달러로 추산되며, Statista 보고서에 따르면 2024년 745억 달러까지 성장할 전망입니다.

이 글에서는 농업 로봇을 다음 주제로 탐구합니다.

• 항공 영상 로봇(드론)
• 파종 및 살포 로봇
• 과일·채소 수확 로봇
• 육묘장·과수원·온실용 자율 이동 로봇(AMR)
• 제초 로봇
• 로봇 온실

항공 영상 로봇(드론)

작물 상태를 공중에서 드론으로 검사하는 것은 이미 정착되었습니다. 항공 영상은 작물 건강과 토양 상태에 대한 귀중한 통찰을 제공합니다. 작물 생육 모니터링의 표준 방식은 정규화 식생 지수(NDVI) 맵 활용입니다. 하지만 데이터를 수동적으로 보는 데 그치지 않습니다. NDVI 데이터는 트랙터로 다운로드될 수 있습니다. 스마트 농기계가 이 데이터를 이용해 비료 살포를 제어합니다.

농업용 항공 드론 시장은 성숙해 있으며 선택지가 많습니다.

농업용 항공 드론 구매 시 고려사항:

농업용 항공 드론 유형

농업에 쓰이는 무인 항공기(UAV)에는 세 가지 주요 유형이 있습니다.

고정익 드론(Fixed-Wing)

비행기 같은 날개를 가지며 보통 1~2개 프로펠러를 가집니다. 회전익보다 오래 체공 가능합니다. 긴 비행 시간은 오늘날 광활한 농장에 유리합니다. 하지만 이착륙을 위한 평활한 활주로가 필요하고, 콥터보다 조종이 어렵습니다.

회전익 드론(Rotary Wing)

헬리콥터처럼 여러 로터와 블레이드를 가집니다. 4개 로터(쿼드콥터)나 6개 구성이 가장 흔합니다. 더 많은 로터를 가진 것도 있습니다. 회전익 드론은 고정익보다 조종이 쉽습니다. 수직 이착륙이 가능해 활주로가 필요 없습니다. 보통 고정익보다 저렴합니다.

하이브리드 드론

수직 이착륙 후 비행 중 글라이딩 모드로 전환합니다. 따라서 다른 두 유형의 장점을 결합합니다. 고정익의 긴 비행 시간과 회전익의 사용 편의성을 약속합니다. 하지만 더 복잡하고 무겁고 비쌉니다. 기술도 다른 두 유형만큼 성숙하지 않습니다.

농업용 드론에 사용되는 센서 유형

드론이 탑재한 센서 유형이 수집 정보의 질을 결정합니다. 주요 센서 유형:

RGB 카메라

RGB 센서를 트루컬러 카메라라고도 합니다. 적색, 녹색, 청색 3개 성분으로 빛을 감지하므로 RGB라 명명됩니다. RGB 카메라가 생성하는 이미지는 사람 시각과 유사합니다.

멀티스펙트럴 카메라

이름대로 다중 주파수 대역에서 빛을 감지합니다. 농업에 특히 유용한 두 대역: 적외선과 '레드 에지 밴드(red edge band)'. 건강한 식물은 스트레스 받은 식물보다 적외선을 더 강하게 반사합니다. 레드 에지 밴드는 적색 대역과 적외선 사이입니다. 레드 에지 밴드에서 반사된 빛도 식물 건강과 강하게 연관됩니다.

열화상(Thermal)

열화상 카메라는 식물 스트레스, 특히 수분 스트레스 감지에 도움됩니다.

라이다(LiDAR)

광 탐지 및 거리 측정 센서는 위 3종 센서보다 무겁고 비쌉니다. 지형 고도 매핑에 사용되며 유인 항공기에 더 자주 탑재됩니다.

구매 vs 구독 서비스

농부가 항공 드론을 꼭 구매할 필요는 없습니다. 항공 영상을 서비스로 제공하는 에이전시와 계약할 수도 있습니다. 주기적으로 영상을 수행해주는 서비스를 구독할 수 있습니다. 새 기술 운용 법을 배우는 데 시간 쓰기 싫은 이들에게 구독 서비스는 매력적일 수 있습니다.

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파종 및 살포 로봇

파종 및 살포용 드론은 아직 새로운 분야지만 상용화되었습니다. 농업용 차량 대형 업체들도 자율 살포·파종 드론을 제공하기 시작했습니다.

미국에서 이륙 중량 55파운드(약 25kg, 화물 포함) 초과 드론을 비행하려는 UAV 조종사는 연방항공청(FAA)을 통해 특별 면제를 청원해야 합니다(builtin.com 기사 참조). 결과적으로 많은 드론 제조사가 이 장애를 피하기 위해 페이로드 용량을 제한합니다.

파종 드론은 주로 피복 작물(cover crops)에 쓰입니다. 피복 작물 재배는 토양 건강 관행입니다. 피복 작물은 토양 침식 방지와 물 유출 오염 감소에 기여합니다. 항공 드론은 트랙터와 방제기가 접근하기 힘든 곳에 파종하기에 최적입니다.

살포·파종 드론에선 페이로드 용량이 핵심 요소입니다. 탱크 크기와 살포 폭에 주목하세요. 드론은 충분히 강력한 배터리와 양력을 가져야 합니다. 이 요소들의 조합이 한 번에 살포 가능한 에이커 수를 결정합니다.

더 정교한 드론은 UAV의 홈 베이스 역할을 하는 필드 스테이션을 갖춥니다. 한 업체는 자동 탱크 리필 기능이 있는 필드 스테이션을 제공합니다. 필드 스테이션은 헌 배터리를 새 것으로 완전 자율 교체하기도 합니다.

첨단 자율 살포 드론은 레이더 등 센서로 장애물을 회피합니다.

대부분 드론은 배터리 구동이지만, 일부는 연료를 씁니다. 연료는 페이로드 용량과 비행 시간을 늘려줍니다.

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과일·채소 수확 로봇

과일·채소 수확 로봇은 아직 프로토타입 단계입니다. 큰 가능성을 보여줍니다. 다양한 수확 로봇 영상을 볼 수 있습니다. 하지만 현재 판매용은 소수입니다.

수확 로봇의 엔드 이펙터(EoAT)는 작물 종류마다 다릅니다. 매끄럽고 왁스질 표면의 피망은 흡착컵으로 잡기 적합합니다. 토마토는 피망보다 연약해 부드러운 핑거 그리퍼로 과일을 비틀어 줄기에서 분리합니다. 딸기는 더 섬세해 수확 시 추가 주의가 필요합니다. 예: 한 수확 로봇은 줄기 절단기를 이용해 당길 때 멍들지 않게 과일을 잡습니다.

AI 지원 비전이 숙도를 감지하고 로봇 팔의 경로를 계획해 표적을 따냅니다. 일부 수확 로봇은 바퀴 달린 베이스에 다관절 암이 탑재됩니다. 다른 건 레일 위를 달리거나 군용 차량처럼 트랙을 씁니다.

특히 인상적인 수확 로봇 하나는 공중 드론 두 대를 탑재합니다. 드론은 전력 공급용 탯줄로 바퀴 달린 카트에 연결됩니다. 드론은 카트 옆을 날며 컴퓨터 비전으로 익은 과일을 찾아 그리퍼로 따냅니다. 딴 후 카트 안 빈에 넣습니다. 카트가 열을 따라 이동하면서 드론이 탯줄로 연결된 채 필요에 따라 위치를 재조정합니다.

아직 초기 도입 단계지만 원리 증명은 되었습니다. 시간 문제일 뿐 여러 벤더에서 선택 가능해질 것입니다.

오늘날 상업적 선택지는 많지 않습니다. 예외적으로 이스라엘 기업 Tevel이 RaaS(서비스형 로봇)로 수확 로봇을 제공합니다. RaaS는 농부의 큰 초기 투자를 없애줍니다. 농부가 Tevel에 에이커 수와 작물 종류를 말하면 벤더가 함대를 투입해 수확합니다. 작업은 휴식 없이 24/7 진행되며 더 적은 노동력으로 더 빨리 수확할 수 있습니다. 현재 이 서비스는 이스라엘에서만 가능해 보입니다. Tevel 웹사이트에 따르면 내년 스페인, 미국, 이탈리아에서 파일럿 프로그램을 진행할 예정입니다.

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육묘장·과수원·온실용 자율 이동 로봇(AMR)

과일, 채소, 화분 식물 운반용 AMR은 상용화되어 있으며 몇 개 벤더에서 선택 가능합니다. 이 로봇들은 농부의 조력자로, 사람을 더 고부가가치 업무로 자유롭게 합니다.

육묘장에서 필수적이지만 힘들고 시간 많이 드는 작업은 화분 식물 간격 벌리기입니다. 작을 땐 관목과 어린 나무를 빽빽이 심어 공간을 극대화합니다. 자라면서 무성해지려면 공간이 필요합니다. 식물을 옮겨 간격 벌리는 건 AMR 적용 사례입니다. 일부 벤더는 이 애플리케이션에 특화되어 있습니다.

과수원에선 딴 과일을 수거 지점까지 운반하는 게 AMR 좋은 적용 사례입니다. AMR이 인간 따는 이들을 자율 추종하며 돕습니다. 로봇이 작업자가 딴 과일을 담을 트레이나 빈을 실어 나릅니다. 트레이가 차면 로봇이 자율적으로 수거 구역으로 이동합니다. 로봇이 작업자가 걷던 거리를 없애주어 생산성을 높입니다. 이런 로봇을 제공하는 벤더들이 있습니다.

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제초 로봇

잡초를 제거하는 농업 로봇은 상용화되어 있으며 여러 벤더가 제공합니다. 일부 제초 로봇은 가정용 정원용입니다. 이 소형 로봇은 가정용 청소 로봇과 비슷합니다. 하지만 대규모 농장용 로봇도 있습니다.

상업 농업용으로 일부 제초 로봇은 극소량 제초제를 사용합니다. 로봇이 작물 열을 자율 주행합니다. 컴퓨터 비전으로 잡초와 작물을 구별합니다. 잡초 식별 시 로봇 액추에이터가 다가가 극소량 살충제를 잡초에 직접 살포합니다. 결과적으로 화학물질 사용량이 대폭 줄어듭니다.

다른 접근법은 레이저로 잡초를 태웁니다. 이 방식은 화학물질을 전혀 쓰지 않아 유기농 인증이 가능합니다.

일부 제초 로봇은 태양광 패널로 구동하고, 다른 건 배터리나 디젤 연료를 씁니다.

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로봇 온실

실내 농업이 확산되었습니다. 실내 재배는 정밀 농업에 유리한 더 통제된 환경을 제공합니다. 온실 핵심 비용을 낮춘 건 LED 조명입니다. 오늘날 LED는 백열등과 같은 광도를 85% 적은 전력 소비로 제공합니다. AI가 조명, 온도, 이산화탄소, 습도를 제어합니다. 기후를 각 작물 니즈에 맞게 맞춤 설정 가능합니다. 이런 통제로 기존 방식 대비 에이커당 20배 이상 작물 생산에 물 90% 절감이 가능하다고 Root AI는 밝힙니다. 여기에 로봇의 노동력 절감 기술이 더해지면 결과는 진정 혁명적일 것입니다.

수많은 실내 농업 기업이 과일과 채소를 판매합니다. 주 고객은 식료품점과 레스토랑입니다. 이들의 기술은 판매용이 아닙니다.

하지만 일부 벤더는 직접 자동화 온실 구축 장비를 판매합니다.

한 기업은 식료품점 진열대 안 디스플레이 케이스에 들어가는 모듈러 시스템을 제공합니다. 매장에서 상추와 허브 등을 재배해 고객에게 판매할 수 있습니다. 이 온실 기업 시스템은 상업적 규모의 수직 농장으로 확장 가능합니다. 기후와 영양분 흐름을 관리하는 특수 소프트웨어도 판매합니다. 독자적 LED 램프도 구매 가능합니다. 순환 용액으로 식물에 영양분을 공급하는 '퍼티게이션(fertigation)' 유닛도 살 수 있습니다.

실내 농업 솔루션 판매 기업 중 색다른 접근을 하는 곳도 있습니다. 이들의 수경 재배 농장은 해상 컨테이너 내부에 들어가도록 설계되었습니다. 컨테이너 아이디어는 적절한 건물 구매 비용을 낮추고 농장을 이동 가능하게 만듭니다. 웹사이트에서 견적 요청과 ROI 계산기 기능을 제공합니다.

실내 농업의 단점은 에너지 집약적이라는 점입니다. 따라서 과일·채소 같은 고부가가치 작물에만 경제적입니다. 밀이나 곡물을 실내에서 재배해선 수익을 낼 수 없습니다. 하지만 실내 농업은 훨씬 높은 수확량을 제공합니다. 많은 작물에 매력적 투자 옵션이 될 수 있습니다.

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