Innovative Technik gegen Unkraut: ATB in Potsdam entwickelt Laser-Modul für den ökologischen Landbau

fTeilen

Stundenlanges Hacken, Reihe für Reihe – das ist die Realität der
Unkrautbekämpfung im ökologischen Gemüsebau. Die jungen Pflänzchen
konkurrieren um Licht, Wasser und Nährstoffe und ohne Herbizide bleibt nur
die Handarbeit. Auf großen Flächen wird diese schnell zu einer
anstrengenden und extrem kostspieligen Aufgabe. Mit JaetRobi könnte das
manuelle Unkrauthacken in Gemüsefeldern bald der Vergangenheit angehören.

Dafür haben Forschende des Leibniz-Instituts für Agrartechnik und
Bioökonomie aus Potsdam (ATB) eine Lösung entwickelt. Karuna Koch ist
Wissenschaftlerin am ATB und Expertin für Computer Vision und maschinelles
Lernen. Sie erklärt: „Stellen Sie sich ein Anbaumodul für Traktoren oder
einen kleinen Feldroboter vor, welche mit einer Kamera ausgestattet sind.
Während der Überfahrt über den Gemüsedamm nimmt die Kamera Bilder auf, die
ein integrierter Rechner in Echtzeit mithilfe von KI analysiert. So
entscheidet er, welche Pflanzen entfernt werden sollen, und steuert ein
hochpräzises Werkzeug an. Im Projekt JaetRobi haben wir ein Modul
entwickelt, das auf diese Weise automatisiert Unkräuter aufspürt und mit
einem Laser auf den Millimeter genau entfernt.“

Ausgangspunkt für das Projekt war eine konkrete Herausforderung aus der
Praxis: Die Firma Naiture wollte die Lebensdauer ihrer, bereits am Markt
erhältlichen, automatisierten Hackwerkzeuge erhöhen. In enger
Zusammenarbeit verfolgten und verglichen die Projektpartner daher zwei
technologische Ansätze: Während ein Teil des Konsortiums die bestehende
mechanische Lösung weiterentwickelte, erarbeitete das ATB zusammen mit der
Technischen Universität Berlin eine grundlegend neue Alternative auf Basis
eines blauen Lasers.

Schneiden, verbrennen oder hacken?

Das neue Lasermodul steuert automatisiert junges Unkraut an und schädigt
es im sogenannten Wachstumszentrum. Zum Einsatz kommen dabei blaue
Diodenlaser, deren Licht von Pflanzengewebe besonders stark absorbiert
wird. Während Infrarot-Laser, wie sie zum Teil bereits im Einsatz sind,
ihre Energie oft schon in Wassertröpfchen verlieren und zunächst
Feuchtigkeit erhitzen oder verdampfen müssen, gelangt blaues Laserlicht
direkt ins Gewebe. Dadurch reicht eine geringere Leistung aus und die
Wirkung erscheint wie ein präziser Schnitt. Großflächige Verbrennungen
werden vermieden und das Risiko von Hitzeschäden an den Kulturpflanzen
verringert. Der neue Laser kann sehr dicht an der Kulturpflanze arbeiten,
muss die Unkräuter allerdings nacheinander ansteuern. Das mechanische
Modul hingegen ist mit zwölf Mikrohacken gleichzeitig im Einsatz, erzielt
eine deutlich höhere Flächenleistung, muss aber einen größeren
Mindestabstand zur Kulturpflanze einhalten. Das Lasermodul eignet sich im
jetzigen Entwicklungsstand besonders für den Stop-and-go-Betrieb in
Kombination mit Feldrobotern, während das mechanische Modul auch für den
kontinuierlichen Einsatz am Traktor ausgelegt ist.

Auf den Millimeter genau

Karuna Koch und das Team des ATB und der TU Berlin entwickeln für das
Lasermodul Soft- und Hardware, darunter die Unkrauterkennung: „Unser
Einsatzszenario konzentriert sich auf Unkräuter vom Keimblattstadium bis
zum Erscheinen der ersten echten Blätter. Unsere Versuche laufen aktuell
mit bis zu zwei Zentimeter großen Pflänzchen. Damit wir diese während der
Überfahrt präzise von beispielsweise Möhren unterscheiden können, haben
wir zunächst eine Bilddatenbank erstellt und Unkraut sowie Nutzpflanzen
annotiert. So konnten wir eine KI trainieren, die mittlerweile mit einer
Genauigkeit von 94 % Unkraut von Möhren bereits ab dem Keimblattstadium
unterscheidet. Im nächsten Schritt konstruierten unsere Ingenieurinnen und
Ingenieure eine Positioniereinheit, die den Laser millimetergenau über das
Unkraut bewegt und zum richtigen Zeitpunkt für die optimale Dauer
aktiviert“, berichtet Koch.

Eine Chance für die Biodiversität

Im nächsten Schritt planen die Forschenden, das derzeit als
Funktionsmuster laufende System weiter auszubauen. „Wir möchten das System
noch robuster gestalten. Da der Laser an Stellen mit mehr Unkraut länger
benötigt, erfordert dies zurzeit eine dynamische Geschwindigkeit. Auch die
unterschiedlichen Höhen der Pflanzen in den Dämmen stellen eine
Herausforderung dar. Dennoch schätzen wir das Potenzial dieser Technik als
hoch ein. Sie könnte eine echte Arbeitserleichterung bringen und
gleichzeitig die Biodiversität fördern. Zukünftig wollen wir nur noch
solches 'Unkraut' entfernen, das die Nutzpflanzen tatsächlich
beeinträchtigt. Den Rest kann unser Algorithmus stehen lassen, was die
Arbeit sogar beschleunigen würde“, ist Koch überzeugt.
Nach Abschluss des Projektes werden die Forschenden die Bilddatenbank und
die trainierte KI für wissenschaftliche und industrielle Zwecke
veröffentlichen. Das Hauptziel der ATB-Arbeit bis dahin wird es sein, das
Modul so weiterzuentwickeln, dass es von der Industrie aufgegriffen werden
kann.

Die Perspektive der Anwender

Zu diesem Zweck veranstaltete das ATB am Fieldlab für Digitale
Landwirtschaft einen Anwenderworkshop mit Live-Demonstrationen. Der
Austausch mit der Praxis und Industrie ergab insbesondere die hohe
Bedeutung von Verlässlichkeit und Service. Dagegen schienen kleinere
Betriebe eher dazu bereit, unkonventionelle Systeme, wie etwa kleine
Feldroboter mit integrierten Regulierungsmodulen, einzusetzen. Große
Betriebe schätzen konventionelle Lösungen, die als Anbaugerät mehrreihig
arbeiten können.

Mehr Informationen zum Projekt unter https://jaetrobi.atb-potsdam.de

Hintergrund

Das Projekt wird im Rahmen des Programms Digitalisierung in der
Landwirtschaft durch das Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung
und Heimat (BMLEH) gefördert und läuft in der ersten Phase bis Dezember
2025. Partner sind die Technische Universität Berlin, Technische
Universität Dresden, die Industriepartner Hydrive Engineering GmbH und
Technische Werkstätten Langengrassau GmbH.