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农业不断发展。纵观历史，该行业利用了技术进步，主要提升了生产力和食品质量。然而，农业正面临新的挑战，如气候变化和对产品强劲的需求。这就是为什么创新解决方案的寻求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。那么，3D打印在农业中到底扮演什么角色？
尽管3D打印尚未成为农业实践中广泛应用的技术，但一些专业应用已为新可能性铺平了道路。我们已经看到增材制造为直接影响农业的实践带来了好处，比如养蜂。不过仍有一些空白需要填补。
如果你在历史课上认真听讲，你会知道农业一直是所有文明的根基，甚至早于科学和文字。农业实践伴随人类约12,000年，自其出现以来，农业通过改变生活方式彻底改变了历史。事实上，能够种植食物正是促成了所有定居点的诞生，进而又促成了社会的建立。
农业的重要性几千年来未曾改变，因为它是国家自主发展和财富的战略活动。根据联合国粮农组织（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年一项研究的一部分，该研究还显示，全球近一半的人口生活在与这些农业食品系统相关联的家庭中。
几个世纪以来，农业工作深植于体力劳动。工业革命后，随着机械的引入，农业几乎完全改变，机器使体力劳动变得合理化。从19世纪末到整个20世纪，拖拉机、联合收割机和犁等机械的使用变得不可或缺。
近年来，农业迈出了新一步，将信息技术融入其活动中，农业科技一词也因此出现。后者指的是利用车辆、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，看看它如何彻底改变了农业领域。
当我们想到3D打印在农业中的应用时，可能会想到工具制造、备件或其在拖拉机生产中的应用。然而，还有许多其他发展、研究项目和具体应用将3D打印纳入其中。虽然3D打印技术尚未像医学或汽车行业那样全面应用于农业，但本文将展示它正在逐步推进。为此，我们将从最重要的应用开始。
增材制造已在汽车和交通行业普及，类似的应用也出现在农业机械制造中。例如，2022年，著名制造商约翰迪尔在一年内通过增材制造生产了超过4000个零件。这是其在德国曼海姆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惠普的Multi Jet Fusion技术制造空气出口适配器和空气叶片定位器等零件。这些都是其生产的农业机械所包含的。
3D打印使得能够快速且经济地原型化，满足农业需求。例如，可以根据每个农民的具体条件定制机械零件和灌溉设备。它们甚至可以是特定机器的备件，比如已停产但仍需的工具。
更重要者，现场生产这些工具免除了农民的出差和等待时间，避免了可能中断农业活动的等待时间。最后，增材制造的普及化可以让大小农场都能使用并受益于这项技术。
物联网（IoT）传感器和用于监测土壤状况（如湿度、风和天气等因素）的设备，可以被3D打印。它们被整合进智能农业系统，以改善作物决策。
一些无人机和农业机器人已被3D打印。它们标志着自动化技术在现场应用上的一个里程碑。近年来，研究表明这些设备能够执行作物监测、播种以及精准施用化肥和农药等任务。
例如，意大利公司Soleon，专注于无人机应用和无人机，曾邀请Materialise的增材制造服务公司开发Soleon Dis-co。为了解决欧洲玉米螟这一能毁灭大量作物的害虫问题，索利昂和Materialise设计了农药输送系统。然而，他们使用了以欧洲玉米钻蛀虫为食的黄蜂——Trichogramma卵，提供了天然的解决方案。在这种情况下，无人机采用了 SLS 工艺以 PA12 打印。
3D打印还可以用于制作可生物降解的容器或花盆，用于种子或幼苗。这样可以让种植更简单，减少对环境的影响。
通过设计专用的3D打印组件，灌溉系统可以得到改进。例如，喷嘴和连接器优化了水的分配并减少了浪费。
从昆虫捕虫器开始，增材制造使得设计和制造针对不同害虫类型的专用捕虫器成为可能。这些陷阱可以优化以吸引和捕捉昆虫。接下来，我们可以在信息素释放装置中找到应用，这些化学物质设计用来吸引或驱赶昆虫。它们可以通过3D打印制造，并设计为可控色散。
增材制造的另一个应用是生产用于小空间的水平作物。意大利公司Hexagro是该应用的专家。它利用3D打印工艺创建模块化、可定制的结构，并可根据每个空间和作物类型的具体需求进行调整。
这包括制造托盘、支撑结构和灌溉渠道，设计优化植物生长及高效水资源和养分管理。快速生产定制组件的能力显著降低了开发成本和交货周期，使Hexagro能够持续创新和改进其不断发展的系统。
近年来，农业研究得到了显著发展，这得益于技术进步，重新定义了传统做法。在这些创新中，3D打印正作为一种革命性工具崛起，有望帮助重新定义现代农业。3D打印与农业的融合，有望为农业资源的种植和管理方式开启新纪元。
热塑性塑料在农业中被广泛使用。然而，它们产生的废弃物直接影响土壤健康，影响生物多样性。为解决这些问题，联合国提出的“6R模式”（拒绝、重新设计、减少、再利用、回收和回收）等解决方案被采用，农民也越来越被鼓励使用天然或可生物降解的替代品。最新研究发现了具有不同性质材料的替代品。
例如，一份2021年的出版物提出4D打印作为制造农业有用材料的主要工艺。该研究题为《4D打印：可持续塑料生产的前景》，是帕特雷大学、希腊农业大学和意大利热那亚理工学院合作的成果。
4D打印是3D打印的一种演进，增加了时间的维度。在这种情况下，印刷物品由智能材料制成，能够根据外部刺激（如热量、光线、水或运动）改变形状或性质。虽然4D打印主要应用于医学等领域，但在农业中的应用较少甚至不存在。团队的研究显示，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。但更广泛应用的主要障碍是4D打印工艺的新颖性。
4D打印会带来什么？一些形状记忆材料具有耐热、抗磁、pH和渗透压敏感性等特性，使其非常适合智能行为。研究团队提到的应用包括食品包装、农业覆盖物、遮阳网或塑料温室罩。鉴于FDM技术使得PLA及其他聚合物能够实现自成形和记忆效应，这一相对“简单”的技术有望实现有效、可扩展且经济实惠的工具。其他技术，如基于立体光刻技术，也展示了其在农业应用中的潜力。
土壤是农业实践中的关键元素之一，甚至可以说是最重要的。其研究对于理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。2020年，意大利帕多瓦大学进行的一项研究还原了土壤结构，以了解其工作原理。
为此，他们使用了X射线显微断层扫描，提取数据，并用3D Systems的ProJet 3510 HD打印机在树脂中打印土壤结构，这台机器通过喷射材料工作。借助这些3D打印模型，得以重建土壤样本的原始结构，包括孔隙度和孔隙形状。
尽管由于印刷过程中技术限制，孔隙间的导电性有所降低，团队仍能测量大多数原型的水力传导率，显示出高度相关性。这项研究推动了土壤科学研究的前沿。
另一个利用增材制造进行土壤研究的例子是美国弗吉尼亚大学一个跨学科团队于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3D打印种子发芽土壤结构的可能性。
为此，他们采用挤压法打印无添加剂的土壤结构。结果显示，当水分含量得到适当控制时，打印结构能够促进发芽和植物生长，尽管它们需要大量水分。虽然研究重点是证明“绿色屋顶”的可行性，但同样的原理也适用于香菜、薄荷、欧芹、罗勒等香草的种植。
农业中的表型分析是指观察和分析植物，以预测其在特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环境相互作用的结果，有助于更好地理解植物的生长、发育及对环境条件的反应。2024年发表的一项研究在增材制造应用于植物表型鉴定方面树立了里程碑。甜菜研究所（IFZ）与波恩大学合作，开发出一个3D打印植物模型，实现准确可靠的表型鉴定。
为了在数据收集和参数提取过程中提供参考工具，科学家们开发了使用FDM技术的3D打印甜菜植株模型。这项创新研究由一名IFZ博士生完成。Jonas Bömer强调了该模型的重要性：“3D打印使我们能够创建一个成本效益高的参考工具，以确保所收集数据的完整性。”
这项研究还广泛利用了三维扫描进行数据收集。事实上，3D扫描使得创建高分辨率的数字作物模型成为可能，便于监测作物的生长和发育，并及时发现潜在问题。Jonas Bömer解释道：“通过分析土壤，农民可以改善土壤管理并实施防止侵蚀的措施。机器人与农作物的互动是另一个可以通过深度信息解读来解决的问题。例如，自动化温室中的水果采收，减少并简化了劳动密集型的采摘任务。”
养蜂业与农业密切相关。养蜂在农业中扮演着至关重要的角色，因为它对授粉过程有着至关重要的作用，而授粉过程是许多植物和作物繁殖的重要机制。根据粮农组织的数据，授粉物种直接影响全球农业生产的35%，间接影响75%。除了20万种蜜蜂参与授粉外，2万种蜜蜂是卓越的传粉者。
蜜蜂与作物之间的相互依赖不仅强调了保护和支持养蜂实践的必要性，也强调保护蜜蜂的重要性。农药、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。
为了解决影响蜜蜂物种的一些问题，养蜂人通过增材制造找到了解决方案。例如，墨西哥一位硕士生最近开发了一个树脂打印蜂箱，以刺激蜜蜂的蜂蜜生产。还值得一提的是英国的LACRIMA基金会，他们通过3D打印木质蜂箱来保护蜂群。其LacriNest蜂箱采用材料挤压工艺打印，为蜜蜂提供一个自然、未受干扰的生态系统。
基金会创始人兼主席文斯·穆查在接受我们团队采访时表示：“我们的3D打印蜂箱采用一种特殊且完全可生物降解的材料——木材复合材料，这使其区别于传统蜂箱和其他3D打印解决方案。这种材料和我们木质蜂箱的设计不仅确保了环境可持续性，还提供了卓越的隔热和耐用性，为蜜蜂创造了最佳环境，提升了它们的健康和生产力。”
正如全球多项研究所示，蜜蜂因大量农药使用、栖息地破坏以及气候变化等因素而濒危。蜜蜂数量减少不仅影响蜂蜜及其他养蜂产品的生产，也影响了多种作物的授粉。这并非近期出现的问题;最早的警示信号出现在上个世纪。其中一个解决方案正是建造蜂箱，为它们提供筑巢栖息地。
LACRIMA的创始人补充道：“通过鼓励本地生产、减少运输排放和使用可回收材料，3D打印蜂箱可以融入可持续农业实践。它们还可以成为综合害虫管理系统的一部分，减少对化学处理的需求。”
上述项目、应用、已识别的益处及已观察到的结果证实了3D打印在农业领域具有发展潜力。在某种程度上，这项技术在农业领域仍处于起步阶段。然而，这里讨论的项目证实了其潜力巨大且充满希望。
鉴于农业是一个非常古老的行业，其实践不仅根植于特定技术，也深受传统影响，我们不妨问，像增材制造这样创新的技术是否能在农业中占有一席之地？因为如果传统做法在实地被保留，那一定有原因，不是吗？事实上，农业部门从不放过创新的机会。虽然3D打印的应用尚未普及，但其他技术已被利用。
目前，最显著的进展体现在科学研究方面。专家们不仅关注一个主题，还在寻找当前问题的解决方案。这里提到的研究例子只是中国等领域更为突出国家必须存在的众多研究中的一部分。随着技术的持续发展和增材制造研究的发现，我们预计将被更广泛地采用，甚至带来更多颠覆性的创新。
