3D 打印与农业：农业新前沿

农业在不断发展。纵观历史，农业利用技术进步主要提高了生产力和改善了食品质量。然而，农业正面临着新的挑战，例如气候变化和对产品的强烈需求。这就是为什么寻找创新解决方案比以往任何时候都更加紧迫。最近的研究和项目表明，增材制造可能是解决方案。但 3D 打印在农业中到底扮演什么角色呢？

尽管 3D 打印技术尚未广泛应用于农业实践，但一些专门的应用已经为新的可能性铺平了道路。我们已经看到了增材制造为对农业有直接影响的实践带来的好处，例如养蜂业。尽管仍有一些空白需要填补。

如果你在历史课上认真听讲，你就会知道农业是所有文明的根源，甚至在科学和文字出现之前。农业实践伴随人类已有大约 12,000 年的历史，自出现以来，农业通过改变生活方式彻底改变了历史。事实上，能够种植粮食是导致所有定居点建立的原因，而这又导致了社会的建立。

农业的重要性几千年来从未改变，因为它是国家自主发展和财富的一项战略活动。根据联合国粮食及农业组织 (FAO) 的数据，有 12.3 亿人在农业食品系统中工作。这些数据是 2019 年进行的一项研究的一部分，该研究还显示，几乎一半的世界人口生活在与这些农业食品系统相关的家庭中。

农业是一个战略部门，为世界82亿人口提供食物，并为各个经济部门提供原材料。

许多世纪以来，农耕工作都深深植根于体力劳动。工业革命后，随着机器的引入，体力劳动更加合理，农业几乎完全改变了。从 19 世纪末到整个 20 世纪，拖拉机、联合收割机和犁等机器的使用变得必不可少。

近年来，农业通过将信息技术融入其活动迈出了新的一步，并出现了“农业技术”一词。后者指的是使用车辆、无人机、卫星、机器人、扫描仪、计算机、软件等技术来优化农业生产。那么让我们更具体地看看增材制造在农业领域的应用，看看它是如何彻底改变农业领域的。

3D打印在农业中有哪些应用？

当我们思考 3D 打印在农业中的应用时，我们可能会想到诸如工具、备件制造或拖拉机生产等例子。然而，还有许多其他发展、研究项目和具体应用都采用了 3D 打印。虽然 3D 打印技术尚未在农业中完全应用，就像在医学或汽车行业中一样，但我们将在本文中展示它正在顺利发展。为此，我们将从最重要的应用开始。

利用增材制造工艺制造机器

增材制造已在汽车和运输领域占据一席之地，农业机械制造领域也出现了类似的应用。例如，2022 年，知名制造商 John Deere 在一年内使用增材制造生产了 4,000 多个零件。这是该公司在德国曼海姆的专业中心实施增材制造的第一步。

另一个例子是 Teyme。这家西班牙公司使用 HP 的Multi Jet Fusion技术制造出风口适配器和空气刀片定位器等零件。这些都包含在其生产的农业机械中。

Teyme 蒸发器的部件采用 Multi Jet Fusion 技术制造（图片来源：Teyme）

定制工具开发

3D 打印可以快速且经济高效地制作出满足农业特定需求的工具和部件原型。例如，可以根据每个农民的具体情况调整的机器零件和灌溉设备。它们甚至可以是特定机器的备件，例如不再生产但仍需要的工具。

此外，在现场生产这些工具可以免去农民出行的麻烦，也免去了可能中断农业活动的等待时间。最后，增材制造的普及可以让小型和大型农场都能使用该技术并从中受益。

制造传感器和物联网设备

用于监测土壤状况（湿度、风和天气等因素）的物联网 (IoT) 传感器和设备可以 3D 打印。它们被集成到智能农业系统中，以改善作物决策。

无人机和机器人的增材制造

一些无人机和农业机器人已经采用 3D 打印技术。它们标志着自动化技术在田间应用的里程碑。近年来，这些设备已被证明可以执行农作物监测、播种和精确施肥和施用农药等任务。

例如，意大利公司 Soleon 专门从事无人机应用和无人机，该公司利用 Materialise 的增材制造服务打造了 Soleon Dis-co。为了解决欧洲玉米螟（一种可以摧毁大量农作物的害虫）的问题，Soleon 和 Materialise 设计了一种农药输送系统。然而，他们使用了赤眼蜂卵（一种以欧洲玉米螟为食的黄蜂），这提供了一种自然的解决方案。在这种情况下，无人机是使用SLS工艺用 PA12 打印的。

意大利 Soleon 公司推出的 3D 打印害虫防治无人机（图片来源：Soleon）

生产可生物降解的种子和幼苗容器

3D打印还可用于制作可生物降解的种子或幼苗容器或花盆。从而使种植变得更容易，并减少对环境的影响。

灌溉组件生产

通过设计专门用于 3D 打印的组件，可以改善灌溉系统。例如，喷嘴和连接器可以优化水的分配并减少浪费。

害虫防治设备的增材制造

从昆虫陷阱开始，增材制造使设计和制造针对不同类型害虫的特定陷阱成为可能。这些陷阱可以进行优化以吸引和捕获昆虫。接下来，我们可以在信息素释放装置中找到应用，这些装置是旨在吸引或驱赶昆虫的化学物质。它们可以通过 3D 打印创建并设计为可控分散。

水平农业

增材制造的另一个应用是生产适合小空间的水平作物。意大利公司 Hexagro 是这一应用领域的专家。该公司使用 3D 打印工艺创建模块化、可定制的结构，可以适应每个空间和作物类型的特定需求。

这包括制造托盘、支架和灌溉渠道，其设计针对植物生长和高效的水和养分管理进行了优化。快速生产定制组件的能力大大降低了开发成本和交付周期，使 Hexagro 能够不断创新和改进其种植系统。

带连接器的 3D 打印水平裁剪图（图片来源：Hexagro）

科学研究和增材制造的作用

近年来，农业研究取得了长足发展，技术进步正在重新定义传统实践。在这些创新中，3D 打印正成为一种革命性的工具，有助于重新定义现代农业。3D 打印与农业的融合有望标志着农业资源种植和管理方式的新纪元。

农业材料进展

热塑性塑料在农业中被广泛使用。然而，它们产生的废物对土壤健康有直接影响，并影响生物多样性。为了解决这些问题，联合国提出的“6R模式”（拒绝、重新设计、减少、再利用、回收和恢复）等解决方案正在被采用，农民也越来越多地被鼓励使用天然或可生物降解的替代品。最近的研究发现了具有不同特性的材料替代品。

例如，2021 年的一份出版物提出 4D 打印是制造农业用材料的主要工艺。这项研究题为《4D 打印：可持续农业塑料生产的前景》，是帕特雷大学、希腊农业大学和热那亚意大利理工学院合作的成果。

4D打印是3D打印的进化，增加了时间维度。在这种情况下，打印的物体由智能材料制成，这些材料可以根据外界刺激（例如热、光、水或运动）改变其形状或属性。虽然4D打印主要用于医学等领域，但在农业中的应用很少或根本不存在。该团队的研究表明，如果将4D打印应用于农业，将有可能提高塑料在农业中的生物降解性以及环境、经济和生产效益。但更广泛使用的主要障碍是4D打印工艺的新颖性。

4D 打印为提高农业中塑料的生物降解性提供了可能性

4D 打印会带来什么？一些形状记忆材料具有耐热、磁阻、pH 和渗透压敏感性等特性，使其成为智能行为的理想选择。研究团队提到的应用包括食品包装、农业覆盖物、遮阳网或塑料温室覆盖物。鉴于 FDM 技术已经能够操纵具有自成型和记忆效应的 PLA 和其他聚合物，这种相对“简单”的技术有可能在实践中创造出有效、可扩展且价格合理的工具。其他技术，例如基于立体光刻的技术，也已显示出其在农业应用中的潜力。

3D 打印在土壤研究中的应用

土壤是农业实践中的关键要素之一，甚至可以说是最重要的要素。研究土壤对于了解人类活动的影响以及水力、化学和微生物特性的影响至关重要。在 2020 年发表的一项由意大利帕多瓦大学开展的研究中，研究人员重现了土壤结构，以了解其工作原理。

为此，他们使用了 X 射线微断层扫描技术，从中提取数据，并使用 3D Systems 的 ProJet 3510 HD 打印机（一种通过材料喷射工作的机器）将土壤结构打印在树脂中。借助这些 3D 打印模型，可以重建土壤样本的原始结构，包括孔隙度和孔隙形状。

虽然打印过程中由于技术限制导致孔隙间导电性降低，但团队仍能测量大多数原型的水力传导率，结果显示相关性较高。这项研究有助于推动土壤科学研究的前沿。

不同土壤测试的 3D 打印（图片来源：欧洲土壤科学杂志）

另一个使用增材制造进行土壤研究的例子是美国弗吉尼亚大学多学科团队在 2021 年发表的一篇论文。该研究题为《3D 打印生物活性土壤结构》，分析了 3D 打印种子发芽的土壤结构的可能性。

为此，他们利用挤压法打印了不含添加剂的土壤结构。结果表明，当水分含量得到适当控制时，打印的结构能够促进植物发芽和生长，尽管它们需要大量的水。虽然这项研究的重点是展示“绿色屋顶”的可行性，但同样的原理也可以应用于种植香菜、薄荷、欧芹、罗勒等草本植物。

3D 打印的“绿墙”在 144 小时后显示出植物的生长情况（图片来源：弗吉尼亚大学）

植物表型分析

农业中的表型分析是观察和分析植物以预测其在给定空间中的状况的过程。更具体地说，表型分析是植物遗传信息与其环境相互作用的结果，可以更好地了解其生长、发育和对环境条件的反应。2024 年发表的一项研究为增材制造在植物表型分析中的应用树立了里程碑。甜菜研究所 (IFZ) 与波恩大学合作，开发出 3D 打印植物模型，用于准确可靠的表型分析。

为了在数据收集和参数提取过程中提供参考工具，科学家们使用 FDM 技术开发了一种 3D 打印的甜菜植物模型。这项创新研究由 IFZ 的一名博士生进行。Jonas Bömer 强调了这种模型的重要性：“3D 打印使我们能够创建一种经济高效的参考工具，以保证所收集数据的完整性”。

这项研究还广泛使用了3D 扫描来收集数据。事实上，3D 扫描可以创建农作物的高分辨率数字模型，从而更容易监测农作物的生长发育，并及时发现潜在问题。Jonas Bömer 解释说：“通过分析土壤，农民可以改善土壤管理并采取措施防止侵蚀。机器人与农作物的相互作用是另一个可以通过解释深度信息来解决的问题。一个例子是在自动化温室中采摘水果，这减少并简化了劳动密集型的采摘任务。”

3D 打印的甜菜参考模型（图片来源：GigaScience）

3D打印在养蜂业中的应用

养蜂业与农业密切相关。养蜂业在农业中发挥着至关重要的作用，因为它对授粉过程做出了重要贡献，而授粉过程是许多植物和农作物繁殖的重要机制。根据粮农组织的数据，授粉物种直接影响着全球农业生产的 35%，间接影响着 75%。除了 20 万种有助于授粉的物种外，2 万种蜜蜂也是卓越的传粉者。

蜜蜂和农作物之间的相互依赖不仅强调了维护和支持养蜂实践的必要性，也强调了保护蜜蜂的必要性。杀虫剂、疾病和栖息地丧失等威胁正在阻碍全球农业的可持续性和生产力。

为了解决一些影响蜜蜂物种的问题，养蜂人借助增材制造找到了解决方案。例如，墨西哥的一名硕士生最近开发了一种树脂打印蜂箱，以刺激蜜蜂产蜜。同样值得一提的是英国的LACRIMA基金会，该基金会使用 3D 打印木制蜂箱来保护蜂群。其 LacriNest 蜂箱采用材料挤压工艺打印而成，为蜜蜂提供了天然、不受干扰的生态系统。

“我们的 3D 打印蜂箱改善了环境，让蜜蜂群更加健康。使用我们蜂箱的地区农业生产力显著提高。” Vince Moucha 为 3Dnatives 拍摄（图片来源：LACRIMA）

基金会创始人兼总裁文斯·穆查（Vince Moucha）在接受我们团队采访时表示：“我们的3D打印蜂箱使用一种特殊的、完全可生物降解的材料——木质复合材料，这使它们有别于传统蜂箱和其他3D打印解决方案。这种材料和我们木制蜂箱的设计不仅确保了环境的可持续性，还确保了出色的绝缘性和耐用性，为蜜蜂创造了最佳环境，提高了它们的健康和生产力。”

正如世界各地开展的多项研究表明，由于杀虫剂的大量使用、栖息地的破坏以及气候变化的影响等，蜜蜂正濒临灭绝。蜜蜂数量的减少不仅影响蜂蜜和其他养蜂产品的生产，而且还影响多种作物的授粉。这不是最近才出现的问题；第一个警告信号出现在上个世纪。找到的解决方案之一正是建造蜂箱，为它们提供筑巢栖息地。