Laserbasierter Roboter zur Unkrautbekämpfung

Heute wird Unkraut entweder durch den Einsatz von Herbiziden oder durch eine Kombination aus mechanischem Hacken und manuellem Jäten vernichtet. Der ETH-Unkrautjät-Roboter mit integriertem Laser verspricht unzählige Stunden manueller Arbeit einzusparen und einen skalierbaren ökologischen Landbau ohne Chemie.

Die EU möchte mit der Strategie «externe SeiteFarm to Fork» per 2030 anstreben, einen Viertel der Agrarprodukte biologisch herzustellen, heute sind es lediglich 7,7 %.

Für die Produzent:innen von Bioprodukten ist Unkraut jäten eine sehr zeit- und kostenintensive Arbeit, welche aber unverzichtbar ist. Ohne das Jäten würde ein beträchtlicher Teil der Ernte verloren gehen. Die Jätkosten treiben den Preis für Biogemüse in die Höhe. Oftmals stellen Produzent:innen temporär Personal ein, weil vor allem die Feinarbeit nahe an den Pflanzen bis heute nur von Menschen ausgeführt werden kann. Die beiden ETH Pioneer Fellows Aurel Neff und Patrick Barton haben mit vielen Bäuerinnen und Bauern in der Schweiz ausführlich über dieses Problem gesprochen und Lösungsansätze diskutiert.

Visualisierung eines Jät-Roboters, der Unkraut nah an den Karotten entfernt.

Illustration: Erkennung und Regulierung von Unkraut in unmittelbarer Nähe der Pflanze, ohne diese zu zerstören (Quelle: Caterra Aurel Neff und Patrick Barton)

Das Projekt Caterra kombiniert die Disziplinen Robotik, Maschinenbau und Machine Learning

Aurel Neff und Patrick Barton habe beide an der ETH Zürich studiert. Aurel Neff kommt aus dem Bereich Maschinenbau und Robotik und Patrick Barton studierte Elektrotechnik und Robotics - seine Masterarbeit beinhaltete die Anwendung von Deep Llearning. Sie kombinieren damit ihr Wissen perfekt und entwickeln zusammen eine Lösung für einen nachhaltigen und effizienten Unkrautjätroboter.

Der leichte Roboter wird via GPS gesteuert und enthält eine RGB-Farb-Kamera, welche Unkraut mit dem vorprogrammierten Algorithmus erkennen und mit dem integrierten Laser mit Hitze zuverlässig vernichten soll. Die Tests dazu sind für den Sommer 2022 geplant.

Der laserbasierte Ansatz ermöglicht die Entfernung von Unkraut, welches sich in unmittelbarer Nähe der Kulturpflanze befindet, was mit mechanischen Methoden, zum Beispiel dem Hacken nicht so präzise möglich ist (siehe Illustration). Diese Arbeit muss in aufwändiger und anstrengender Handarbeit gemacht werden. Dank der Leichtigkeit des Roboters kann dieser nach einer Regenperiode früh wieder eingesetzt werden, ohne Schäden auf dem Feld zu hinterlassen. Der Einsatz bei Dunkelheit ist auch möglich und wird diesen Sommer auf dem Feld evaluiert werden.

“Der laserbasierte Ansatz ermöglicht die Entfernung von Unkraut, welches sich in unmittelbarer Nähe der Kulturpflanze befindet."Aurel Neff, Caterra Gründer und ETH Pioneer Fellow
Jät-Roboter Prototyp auf dem Feld
Früher Caterra Prototyp während der Erfassung von Pflanzenbildern auf dem Feld (Quelle: Caterra)

Der grosse Vorteil dieser Lösung ist, dass der Roboter die Feinarbeit machen kann und so die mechanische Hackmethode perfekt ergänzt. Es kann sichergestellt werden, dass keine Herbizide eingesetzt werden müssen, welche den Boden, die Mikroorganismen und am Ende auch das Trinkwasser belasten.

Beispiel einer unbehandelten und einer behandelten Fläche: weniger Unkraut in der behandelten Fläche
Resultate des Laserexperiments im Sommer 2021. Im linken Bild sieht man eine unbehandelte Fläche, im rechten Bild wurden in einem regelmässigen Rhythmus die Unkräuter mittels Laser reguliert. (Vgl. Link auf Bild, ab Seite 443) 

Ziel ist es, die Bekämpfung von Unkraut vollständig zu automatisieren

Der Unkrautjätroboter soll, vorerst noch nicht fahrend, selbstständig Unkraut erkennen und bekämpfen. Der frühe Caterra Prototyp hat bereits erfolgreich Pflanzenbilder gespeichert und erkennt Unkraut zuverlässig. Die nächsten Versuche auf dem Feld mit der zweiten Generation des Roboters werden im Frühling und Sommer 2022 durchgeführt. Dann soll der Unkrautjätroboter das Unkraut auf dem Feld erkennen und direkt vernichten. Caterra hat bereits einige Partner im Landbau. Dies sind verschiedene Klein- und Grossbauern aber auch das Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung Agroscope ist involviert. Aurel Neff und Partrick Barton sind aktuell auf der Suche nach weiteren Kooperationspartnern für ihre Pilotversuche im Bereich des Gemüseanbaus. «Klein, leicht und frei von Chemikalien - unsere Lösung wird den Weg zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft weisen.» sind die beiden Forscher überzeugt und planen langfristig die Gründung einer Firma.

Aurel Neff, Mechanical Engineering und Patrick Barton Robotics, Systems and Control mit dem Projekt Caterra (v.l.n.r.) (Quelle: Caterra)
Aurel Neff, Mechanical Engineering und Patrick Barton Robotics, Systems and Control mit dem Projekt Caterra (v.l.n.r.) (Quelle: Caterra)

Kontakt/Links:

Das Pioneer Fellowship ist ein umfassendes Förderprogramm, das innovativen Denkern und Gestaltern ideale Bedingungen für den Start ins Unternehmertum bietet. Das Programm richtet sich an ETH-Doktoranden, steht aber auch MSc-Studenten und Postdocs offen.

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