生物防治技術至關重要的下一步：天敵昆蟲智慧化量產

生物防治技術至關重要的下一步：天敵昆蟲智慧化量產

 國立臺灣大學生物機電工程學系 江昭皚 特聘教授 

 國立臺灣大學生物機電工程學系 林弘人 博士生 

 

前言

　　聯合國於2015年頒布2030永續發展目標(Sustainable Development Goals, SDGs)，其中目標項目2：「糧食安全與永續農業」，更明確地指出訂定2030年的發展目標，即必須發展永續的糧食生產系統，用以維護生態系統以及增強對抗氣候變遷的影響。因此，各國政府紛紛設定了永續生產的發展路徑圖，而我國行政院農委會也於2017年提出「十年農藥減半」政策的重點發展項目，並於2018年立法院通過《有機農業促進法》。這一連串地推動政策宣示了政府對於永續農業的重視以及推行的決心。

　　在「十年農藥減半」政策的重點發展項目中，可分為精準用藥、農藥應用與管理、以及替代性資材等項目。其中，生物防治技術一直以來都被視為是替代化學農藥的重要替代性資材。透過適當地應用生物防治技術，可以避免害蟲抗藥性的發生，並同時減少化學農藥的使用量，增強農業生產系統對於氣候變遷的適應能力，落實環境永續的長遠目標。

 

 生物防治技術的發展與現況

　　生物防治技術自古就有不少文獻記載相關的應用，第一個著名成功的生物防治案例發生於1880年的加州柑桔產業，當地飽受吹棉介殼蟲危害，而當時Charles Valentine Riley和Albert Koebele引進澳洲瓢蟲，達到非常良好的防治成效(Caltagirone, 1989)。從此以後，生物防治技術便逐步成為農業應用上重要的研究項目。時至今日，生物防治技術於2020年預估整體市場達50億美元，且因應各國的永續發展政策與推廣之助力，生物防治技術的市場估值於2025年更可望突破100億美元，複合成長率落於15-18%之間，屬於可期的新興成長市場。

　　生物防治技術所涵蓋的範圍極廣，大致可分為三類：微生物(Microbals)、生物化學(Biochemistry)、以及大型天敵生物(Marcoorganism)技術(Dunham Trimmer, LLC., 2018)。其中，微生物及生物化學技術佔大多數，分別為53.1%以及39.0%，而天敵技術約只佔了7.4%。相較於微生物培養或是植物或動物的成分萃取或合成，害蟲的天敵養殖技術步驟繁複，且養殖變因複雜，產品也不易存放，故於產業化發展速度不如其他兩者。然而，天敵昆蟲因具有移動性，比起微生物或是生物化學防治手段，有更好的害蟲防治效果，且天敵防治能應用的害蟲種類較其他兩者更為多元。因此，天敵技術具有依舊相當具有發展潛能。

 

天敵產業困境

       天敵昆蟲可分為捕食性天敵(Predators)以及寄生性天敵(Parasites)，一般用於農業害蟲防治。透過釋放天敵昆蟲的卵、幼蟲、成蟲等方式進入田間捕食害蟲或是寄生於害蟲蟲體、蟲卵之中，達到抑制害蟲族群之成效。相較於微生物生產，如真菌、細菌等，昆蟲養殖涉及到的過程更為複雜，人工飼養所需投入的人力相當多。將資通訊與自動化工程技術導入天敵的量化生產都必須先能克服前述的繁瑣人工操作細節，舉例而言，不同齡期的習性、型態轉變、交尾環境、產卵習性等，養殖過程所要設計與考量的環節與工程技術更為複雜，所對應到的設計工作相當繁瑣，例如：包含許多人力進行精細操作，這些因素都造成工程設計的巨大挑戰，也導致天敵自動化生產的困難。天敵昆蟲發展至今，雖已有不少商品化的產品問世，仍在生物防治技術中仍僅有小量的市場佔比。筆者認為，天敵昆蟲生產面臨的困境有三：人力成本限制、量產技術缺乏、以及產品管理不易。

1. 人力成本限制：

　　傳統天敵昆蟲生產成本大部分集中於人力成本以及飼料成本兩大項目，而人力成本普遍佔生產成本的60 ~ 90%，屬於高度勞力密集產業。由於農產業在防治資材的價格受到化學農藥定錨效應的影響，天敵產品的價格受到相當程度的限制。此外，人力受到基本薪資、產能限制，極度壓縮了生產者的利潤，進而影響產業規模與廠商數量，無法創造活絡的供需市場。
　　傳統天敵昆蟲生產技術仰賴人力，即便是重複性質的繁複作業也需要一定的時間進行人力培訓，而且養殖過程中的細節過程也需要經歷過一定的時間熟悉養殖作業。然而，受限於生產成本考量，廠商對於薪資的調適彈性相當有限，在需要高度生產經驗及侷限的薪資水準下，無法快速找到對應的量產人才成了傳統生產的首要困難。

2. 量產技術缺乏：

　　傳統生產模式中，生產模式多以小量生產模式進行設計，缺乏系統性規劃。傳統模式按照生產函數模型，隨著生產量能的提升，單位勞力所能創造的產能會隨之遞減，進而導致成本上升。因此，當天敵昆蟲進入量產階段，採取傳統生產模式的廠商，其利潤會逐漸縮減，最後廠商的生產量將會受到利潤影響而停滯。若沒有導入新的飼養生產技術，則市場規模與發展將受到限制。
　　此外，由於傳統生產模式仰賴經驗，卻無法提出有效的量化指標，個體經驗的差距成為了生產線上的隱藏風險。此外，進入量產階段後的生產線管理也成為了傳統生產模式的問題之一。舉例而言，在進入量產階段後，經驗較不足的勞工可能因養殖經驗不足而導致產量下降或甚至族群大量死亡的情況，造成產能下降甚至中斷供應鏈之情況，終將導致生產成本上升，限制市場發展。

3. 產品管理不易：

        天敵昆蟲的生產最終必須進入田間，因此在生產過程中必須考量產品的使用方式以及品質控管。以草蛉的產品為例，傳統生產模式中，國內業者大多標示單張卵片約有800 ~ 1000顆卵，然而卻有不少農民反應實際拿到的產品與標示數量相去甚遠，進而對草蛉產品失去信心。由於傳統的草蛉產品的內容物含量取決於前一日草蛉於紙片上所產的卵量，故廠商只能按照經驗公式大約估算出隔日正常的產量。當生產不如預期，廠商也沒有驗證機制進行查驗，因此才會出現產品品質不一的情況。再者，天敵昆蟲養殖過程中有機率出現不可預測的變因，造成生產量不如預期，而生產者必須於生產過程持續進行產量預估調整，才能掌握生產量並提前安排後續的產品出貨以及補養昆蟲；反之，則容易發生產量不足與需求量無法匹配的情況，當供不應求時，廠商將會失去市場的信任，終將對天敵產業造成負面影響。

 

昆蟲養殖智慧化量產的效益

　　綜觀上述問題，昆蟲生產若要進入量產階段，勢必面臨成本及管理上的困境，而在傳統的生產架構下，量產所面臨的困境是無法突破的窘境。唯有生產層面導入智慧化生產技術，才有辦法在量產過程中降低生產成本，將養殖經驗轉化成有效的量化指標，並穩定產品品質，增加業者獲利空間，同時市場也才願意接納天敵產品廣為應用於農業生產上，形成穩定的成長市場。

1. 天敵昆蟲智慧化養殖的過程：

        天敵昆蟲自動化是一件相當漫長的過程，原因在於過去的所有養殖技術大多都是以人力最有效率的動作為前提所發展出來的模式，若單純以此模式進行後續自動化設計僅是複製人力作業，而非達到真正有效率的精進。以下，將以草蛉智慧化養殖進行舉例說明：

　　草蛉的幼蟲因具有互殘性，在幼蟲階段會互相捕食，導致養殖效率低下。為了避免這種情況發生，傳統養殖方式採用兩種策略：增加飼料用量以及提供其更多的躲避空間，如圖一所示，利用這兩種方式讓草蛉幼蟲之間互相捕食的機會下降。然而，在這樣的養殖方式將會衍生出兩個成本：多餘的飼料以及人力取繭。以傳統的生產步驟而言，可以提升效率的方式是設計躲藏空間，並研發快速取繭的機制。即使在提升了養殖效率後，飼料問題依舊成為最大成本來源，且過去實驗發現，即便在同樣的餵食量與空間下，不同實驗組的生存率為55% ~ 75%。這樣的生存率不僅偏低且變異性非常大，不利於後續的生產排程作業。

　　因此，智慧化生產技術的導入所必須克服解決的兩個問題：飼料精準化餵飼以及降低互殘行為。在草蛉智慧化生產的模式中，第一個被優先考慮的方法是獨居式飼養。透過獨居式飼養的方式，除了可以避免草蛉幼蟲的互殘行為外，還可以進行精準化地投放飼料，讓每一隻幼蟲吃到適量的飼料即可。因此，在草蛉幼蟲智慧化飼養模式中，採用特殊獨居式飼養孔盤，其實際養殖情況如圖二所示。此外，智慧化飼養模式亦導入了自動植卵、智慧選卵兩項技術，可將最大量的有效卵置入獨居式飼養孔盤之中。另外，在幼蟲養殖的過程中導入自動餵食以及智慧餵食兩項技術，將餵食量進行最精確化的投放，有效地降低飼料成本。

　　自動植卵功能可以透過精準控制的方式，將直徑約0.4到0.6毫米的草蛉卵準確地投入單格的養殖孔盤空間之中。同時，這種嶄新設計的植卵機器係透過影像辨識的技術，利用草蛉卵授精後外表在接近孵化時會開始變色的特性─如圖三所示，挑選接近孵化的草蛉授精卵以提升孵化率，有效提升養殖效率。於正常情況下，這種智慧選卵方法之卵孵化率相較於單純用自動植卵提升10 ~ 15%。此外，原本用於植卵的卵孵化率會取決於族群的交尾情況，屬於不可變因。而導入智慧選卵系統後，不管用於接種的卵孵化率是否正常，系統只會挑選確定受精的卵進行植卵作業，保證孵化率依舊可維持在90%以上，有效避免族群差異所帶來的不穩定性，確保後續的養殖作業能維持高效率穩定運行。

        當幼蟲孵化後，智慧化養殖系統除了精準投入適量的飼料到每一格外，同時養殖系統亦會搭配影像視覺檢測系統，判斷於獨居孔盤內每一孔的幼蟲是否仍然存活?若是未孵化、已死亡或是逃逸則不再繼續餵食，如同圖四所示。透過智慧餵食系統，可有效地節省飼料使用量逾10%。若在幼蟲養殖過程中出現異常而導致存活率不如預期時，智慧化養殖系統可針對這樣的情況做出及時的調整，以最精準的飼料量持續養殖剩下的幼蟲，不會造成資源上任何的浪費。此外，智慧化養殖系統亦搭載人工智慧(Artificial Intelligence, AI)演算法，可透過幼蟲存活數量以及市場需求推算草蛉生產系統所需完成的化蛹數、成蟲數、產卵數等，這些相當重要的資訊將可進一步推衍出智慧化草蛉生產排程，達成供銷平衡。

        上述的兩個例子皆是建立於獨居式飼養的模式所開發出來的天敵昆蟲智慧化養殖系統，然而在傳統養殖的思維中，獨居式飼養反而必須投入大量的勞力與精力，進而導致成本上升，故獨居式飼養成為了不可行的方案。導入智慧化生產系統後，將可取代大量勞力作業，且速度與精準度皆勝過人力操作，同時又解決了傳統養殖面上難以解決的困境。因此，上述的兩個例子可以說明：天敵昆蟲量產系統之開發與設計，不能僅從現有的人工養殖方法直接導入自動化設計，而是必須回到問題核心，重新規劃發展方向，再導入智慧化生產系統解決核心問題，才能有效地建立足以應付規模生產的天敵昆蟲智慧化量產系統。

圖一、草蛉幼蟲傳統養殖模式。左圖為養殖容器，內部通常給予過量飼料以避免互殘行為發生；右圖為養殖人員為增加躲避空間所加入之瓦楞紙與草蛉實際於其中之結繭狀況。

圖二、草蛉幼蟲智慧化養殖模式。左圖為獨居式飼養幼蟲實際於養殖容器中；右圖為幼蟲於各隔間中結繭之情況。

 

圖三、有無受精之草蛉卵比對圖。左圖為未受精的草蛉卵，顏色較淡且自產卵後就不再變色；右圖為受精的草蛉卵，顏色有顯著差異，接近孵化時會出現棕色色塊分布於外殼上。

圖四、左圖為餵食系統實際餵食之情境；右圖為系統利用AI影像辨識技術判斷幼蟲於獨居孔盤每一孔內的草蛉是否仍然存活，用以判斷是否需要繼續餵食。

 

2. 天敵昆蟲智慧化的產品形式與品質控管：

        天敵昆蟲生產完成後，如何將產品送到消費者手中並確保其存活且得以於田間發揮作用，則是另一個必須探討的面向。以草蛉為例，過去草蛉的產品多以卵片為主，傳統生產方式是讓草蛉產卵於紙張上後，將紙張取出並寄送至農民手中，如圖五左圖所示。這樣的產品形式單一且容易面臨運輸擠壓、草蛉卵裸露容易受到天敵攻擊或是環境影響等，最終導致釋放天敵防治田間害蟲的成效不彰。

　　在運輸層面，為了降低運費，傳統草蛉卵片大多以疊放的方式進行運送，如圖五右圖所示。在運送過程中，部分草蛉卵會因擠壓導致破裂，嚴重者可能達到30%的損失率，對於施放後的效果將造成顯著的影響，且同時會導致消費者失去對產品之信心。再者，農民收到卵片後必須自行撕成小張卵片或卵條並固定於田間，如圖六所示，而草蛉產卵並非平均分布，因此農民必須自行判斷釋放的方法及紙片大小。這樣的釋放方式對於農民而言，使用上相當不直觀，且對於田間害蟲的防治成效也因此常有落差。

　　導入智慧化生產系統後，草蛉卵可以透過特殊養殖設計與後續流程將其絲柄去除，僅保留卵本身，如此可大幅增加產品的使用彈性。去除絲柄的草蛉卵，具有方便收納、包裝的特性，可將其包裝於釋放容器中，等到適當的時候再去田裡釋放，如圖七所示。透過這樣方式的改變，可解決傳統卵片所面臨的問題。草蛉卵在運輸過程中，因有釋放容器作為保護，因此不會發生擠壓碰撞導致破裂的情況。另外，草蛉卵在釋放容器中可以確保在受到保護的情況下孵化，避免氣候以及外敵之影響。再者，每個釋放容器內含的草蛉卵數量固定，使用成效較容易趨於穩定，也較容易建立蟲害防治的量化數據。

　　草蛉卵之產品品質的管控，也必須透過智慧化系統進行嚴格把關。圖八左圖為智慧化量產系統所蒐集到且已除去絲柄的草蛉卵，這些卵在填入包裝的釋放容器之前，必須透過圖八右圖的影像辨識系統進行數量計算，每個釋放容器都必須填有固定數量的草蛉卵才能封裝寄出。填入之卵量皆已透過多次重覆實驗進行嚴密的計算，確保每一個卡式釋放容器所能釋放的草蛉數量相同。因此，只要搭配面積、作物種類、種植密度等資訊，即可計算出最佳使用量，以達到最有效率的施放模式。

 

圖五、傳統草蛉卵片的形式。左圖為近拍草蛉卵片實體圖，草蛉卵以絲狀柄與紙片連結；右圖為草蛉卵片於運輸過程中之疊放方式。

圖六、草蛉卵片實際於田間釋放之照片

圖七、智慧化生產後產品形式的改變。左圖為實際產品(卡式釋放容器)之近照，右圖為產品實際於田間施放之近照。（圖片來源：樸農生技）

圖八、左圖為智慧化量產系統將絲柄去除後的草蛉卵堆積近照；右圖為智慧化量產系統判斷產品內含物之影像辨識演算法實際操作圖

3. 昆蟲智慧化養殖的效率與成本：

        天敵昆蟲智慧化量產系統在養殖效率提升以及生產成本下降有著顯著的效益。以草蛉為例，表一為傳統飼養方式與智慧化飼養方式之比較。在智慧化飼養之情況下，由於可以精準選卵，因此孵化率要比傳統養殖方式來得高。此外，因為採獨居式飼養，智慧化養殖模式下的結繭率和羽化率皆遠高於傳統飼養，且因獨居式飼養的關係，飼料使用量僅為傳統生產方式的50%。系統實際量產結果證實，在同樣的飼料供給量下，智慧化生產系統從草蛉卵植入獨居式飼養孔盤，然後孵化、飼育、以至於最終可以成為成蟲的數量是傳統生產方式的2.43倍。另外，除了上述的兩項優點外，其他的養殖操作作業(如取卵等)亦皆以智慧化系統取代，最終能比傳統養殖模式節省將近90%的人力作業。因此，加上養殖效率提升，智慧化養殖的成本大約為傳統養殖成本的30%；而當系統以最大負載運作時，智慧化養殖的成本可達傳統養殖成本的21%。

　　 長年以來，生物防治產品一直於高額成本與低廉售價的狹縫間賺取微薄利潤。透過天敵智慧化養殖系統，除了可有效地大幅降低生產成本、創造業者的獲利空間、增加對市場售價的彈性、有利於刺激市場消費之外，同時亦能協助農民達成田間害蟲防治、降低農藥的使用、促進環境建康永續。未來，將可建立活絡且永續的產業發展。

 

表一、智慧化飼養模式與傳統飼養模式之比較　

養殖方式	孵化率	結繭率	羽化率	飼料使用量
傳統飼養	85%	55.4 ± 11.6%	61.8 ± 7.9%	8(g)
智慧化飼養	91.98 ± 3.66%	86.52 ± 3.58%	89.17 ± 5.88%	4(g)

 

 

 

 

 

 

 語結

　　天 敵昆蟲智慧化量產系統與傳統養殖方式相比，除了可以大幅地降低生產成本外，有效地將生產線上的所有參數進行量化評估分析，才能有助於生產品質的穩定，且未來在規模 化生產時才能被快速複製，因應市場需求。天敵昆蟲智慧化量產系統的核心技術與精神並不在於單一種昆蟲的生產，而在於如何重新設計昆蟲養殖流程，並導入智慧化生產系統進行最佳化之生產。未來，昆蟲的智慧化量產將不僅限於天敵昆蟲的生產，相關的工程設計與技術亦可轉化並導入至微生物製劑的宿主昆蟲、禽畜類的飼料用昆蟲、可食用之食用昆蟲等之生產。隨著環境永續的浪潮，這些具有低碳排放的應用昆蟲將會發展成下一個新興市場，而昆蟲智慧化量產系統將在這即將興起的市場中扮演著至關重要的角色。

江昭皚 特聘教授
國立臺灣大學生物機電工程學系