Качество опрыскивания растений при использовании беспилотных роботов

Летающие помощники для более здоровых культур

Дроны стремительно переходят от хобби‑гаджетов к трудолюбивым инструментам на фермах. В этом исследовании ставится на первый взгляд простая, но важная задача: когда небольшой опрыскивающий дрон летит низко над отдельными растениями, насколько хорошо защитная жидкость действительно покрывает листья? Тщательно измеряя, как вращающиеся винты гонят воздух и капли вокруг реальных растений рапса и картофеля, исследователи показывают, как высота полёта, поток воздуха и плотность посадки вместе определяют, достигают ли распылённые вещества глубоко листвы или остаются на верхних листьях. Их выводы помогут сделать опрыскивание дронами одновременно более эффективным против вредителей и более безопасным для окружающей среды.

Почему опрыскивание дронами отличается

Традиционные опрыскиватели передвигаются по полю на колесах с длинной штангой форсунок на фиксированной высоте. Дроны же зависают на вращающихся роторах, неся небольшой бак и несколько форсунок под пропеллерами. Это различие важно: быстрый поток воздуха, создаваемый роторами, меняет поведение капель — как они распыляются, падают и прилипают к растениям. При правильном использовании этот нисходящий поток может вдавливать капли в крону и сокращать дрейф в соседние поля. При неправильном — оставлять пятнистое покрытие или выдувать химикаты за пределы цели. По мере перехода сельского хозяйства к «умным» системам, которые обрабатывают только ослабленные растения или небольшие участки, понимание этого потока воздуха становится жизненно важным.

Трек, тестовый дрон и два типа культур

Чтобы изолировать влияние дрона от меняющегося ветра и погодных условий, команда построила лабораторный трек, который тянул шестирукавый дрон с контролируемой скоростью над горшечными растениями. Под одним ротором они установили одну плоскую веерообразную форсунку — распространённый тип, используемый на сельскохозяйственных опрыскивателях. Испытали две высоты полёта: примерно полметра над вершинами растений, схожую с высотой штанги полевого опрыскивателя, и один метр. Также задали три режима вращения роторов: не вращались вовсе, вращались на скорости, соответствующей пустому баку, и вращались быстрее, имитируя полный бак. В качестве целей выбрали рапс с относительно открытой листвой и картофель с плотной кроной — две важные продовольственные и биоэнергетические культуры, представляющие очень разные структурные задачи для проникновения распыла.

Прослеживание воздуха и капель внутри кроны

Исследователи сначала картировали вниз направленные скорости воздуха под роторами, используя несколько небольших анемометров. Они наблюдали сильные сфокусированные струи воздуха непосредственно под роторами, которые ослабевали и выравнивались с расстоянием и с увеличением высоты полёта. Затем они измерили, как этот поток меняет картину распыла из форсунки, используя ряды небольших коллекторов. Без потока от роторов подъём форсунки с 0,5 до 1,0 метра расширял зону распыла, но истончал её в центре, создавая «седловину» с меньшей дозой непосредственно под форсункой. При вращающихся роторах поток сужал зону примерно на 20 процентов и усиливал объём капель в центре, особенно на большей высоте. Иными словами, нисходящий поток роторов сжимал и концентрировал струю распыла.

Как плотность растений контролирует достижение распыла

Чтобы увидеть, что на самом деле попадало на растения, команда поместила небольшие липкие метки на нескольких уровнях внутри крон рапса и картофеля, затем использовала краситель для расчёта объёма попавшей жидкости на каждом уровне. Вращающиеся роторы последовательно увеличивали количество жидкости на нижних уровнях в обеих культурах, показывая, что поток воздуха помогал проталкивать капли внутрь. Однако структура растений сильно модулировала этот эффект. Рапс имел значительно меньший индекс листовой поверхности — меру того, какая площадь листовой поверхности приходится на квадрат земли — чем картофель. Его более открытая крона позволяла каплям, сдвинутым нисходящим потоком, достигать более глубоких слоёв и обеспечивала более равномерное покрытие сверху вниз. Напротив, плотная листовая масса картофеля блокировала капли, поэтому нижние части получали относительно мало распыла даже при сильном потоке, а покрытие существенно варьировалось между уровнями.

Нижний полёт для умного, более чистого опрыскивания

Анализируя тысячи измерений, включая показатель равномерности, отражающий, насколько равномерно распыл распределён по уровням растений, авторы пришли к выводу, что двумя доминирующими факторами качества опрыскивания малыми дронами являются высота полёта и листистость растений. Полёт ниже — около полуметра над кроной — улучшал равномерность и проникновение, тогда как более высокие полёты разводняли и расширяли след распыла. Одновременно растения с более низким индексом листовой поверхности, как исследованный рапс, было легче обрабатывать равномерно, чем плотные картофельные посадки. Работа показывает, что будущие «дрон‑роботы» должны регулировать высоту и настройки форсунок в соответствии со структурой культуры, целенаправленно используя нисходящий поток роторов для проталкивания капель в крону. При правильной настройке это позволит точно обрабатывать только те растения, которые нуждаются в защите, сокращая перерасход химикатов и уменьшая загрязнение окружающей среды.

Цитирование: Berner, B., Chojnacki, J., Kukiełka, L. et al. Plant spraying quality when used by drone-robots. Sci Rep 16, 11147 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40649-6

Ключевые слова: опрыскивание дронами, точное сельское хозяйство, защита сельхозкультур, дрейф распыла, индекс листовой поверхности