Autonome Helfer auf dem Feld

Den Roboter kennen wir zwar aus dem Fernsehen oder der Fabrik, aber nicht unbedingt auf dem Feld. Zwischen Zuckerrüben, Salat und Co. Ob Unkraut jäten oder Saatgut ausbringen, Roboter übernehmen immer öfter manuell erledigte Tätigkeiten auf dem Feld. Der „Marsrover“ auf dem Acker verspricht, für die in der Landwirtschaft Tätigen, Arbeitserleichterung und ressourcenschonendes Wirtschaften z. B. hinsichtlich des Einsatzes von Pflanzenschutzmitteln. Die autonomen Helfer können so einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigeren und ökologischeren Landwirtschaft leisten. Wie diese funktionieren und wie sich ihr Einsatz in Zukunft ausweiten wird, erklären uns Stefan Kopfinger, Leiter der Forschungsgruppe Agrarrobotik bei der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft am Standort Ruhstorf an der Rott und Christian Metz, Leiter des Kompetenz-Netzwerks Digitale Landwirtschaft Bayern – dem KNeDL beim ZD.B Zentrum Digitalisierung.Bayern – der Bayern Innovativ GmbH.

Robotik in der Industrie ist bereits vielen bekannt. Aber wie sieht es draußen am Acker aus, Christian? Wo haben Roboter einen Nutzen?

Christian Metz: Die Frage ist doch: Werden die Felder, wie die Traktoren, auch immer größer oder ist das Ganze begrenzt? Und so können wir die Roboter einfach einsetzen, um die Maschinen(größe) wieder an die Landschaft anzupassen. Dadurch können die Roboter auf heterogenen Feldern arbeiten und uns auch Erleichterung schaffen in der Art, wie wir Sachen anbauen und auch, wie wir dort arbeiten. Der Roboter ersetzt oder unterstützt meine körperliche, manuelle Arbeitskraft.
Ein anderer Punkt ist auch, dass er durch gezieltes Arbeiten auf dem Feld, Unkräuter – oder wie wir sagen: Beikräuter – von Nutzpflanzen unterscheiden kann. Somit kann er selbst automatisch die Beikräuter entfernen und es kann auf chemischen Pflanzenschutz verzichtet werden.
Es geht also um die Reduktion von solchen Betriebsmitteln, die wir nicht unbedingt einsetzen möchten, sowohl aus ökonomischen als auch aus ökologischen Gründen. Und das wäre so das Große und Ganze, warum die Roboter vielleicht einen Siegeszug in der Landwirtschaft erfahren werden.

Wie sieht es mit der Akzeptanz unter den Landwirtinnen und Landwirten aus, Stefan?

Stefan Kopfinger: Wir haben eventuell das Bayerische Sonderprogramm Landwirtschaft Digital (BaySL Digital). Da werden u. a. Hackroboter gefördert. In den vergangenen zwei Jahren gab es 64 Förderanträge dafür. Sprich, es ist Interesse im Nischenbereich da. Aber momentan sehen wir vor allem ein wachsendes Interesse für Systeme, die die Handarbeit ersetzen.
Den Verbraucherinnen und Verbrauchern ist nicht unbedingt wichtig, ob ein Roboter auf dem Feld herumfährt, sondern das Augenmerk liegt darauf, eine hohe Qualität der Nahrungsmittel zu haben. Die Reduktion im Herbizid-Einsatz z. B. durch irgendeine Verfahrenserleichterung in der mechanischen Unkrautregulierung ist dann ein Vorteil für die Verbraucherinnen und Verbraucher.

Stefan, Du bist Leiter der Forschungsgruppe Agrarrobotik. Womit beschäftigt Ihr Euch genau?

Stefan Kopfinger: Wir beschäftigen uns momentan hauptsächlich mit autonomen Systemen zur autonomen Unkrautregulierung, auch Hackroboter genannt. Bei den Robotern ist es so: Da kein Fahrer drauf sitzt, gibt es keine Fahrerkabine und deswegen kann ein Feldroboter sehr frei in Form und Größe gestaltet werden. Unser kleinster Roboter wird mit 400 Watt Elektroantrieb einer Batterie betrieben und der größte mit 150 Diesel PS. Sprich, da gibt es eine sehr große Bandbreite in der Gestalt. Aber als Gemeinsamkeit haben die meisten eine Spurführung über RTK-GNSS, also ein über Genauigkeit verbessertes Satellitennavigationssystem.

GPS kennen wir aus dem Auto. Aber das ist die wesentlich genauere Variante, die in der Landwirtschaft in vielen Bereichen ohnehin schon eingesetzt wird, oder?

Stefan Kopfinger: Genau. Das wird z. B. für die Spurführung von Traktoren eingesetzt. RTK-GNSS besitzt ein zusätzliches Korrektursignal, mit dem man statt im Meterbereich im kleineren Zentimeterbereich unterwegs ist. Normalerweise habe ich dann ein Programm, mit dem ich die Spurplanung durchführen kann. Damit kann man dem Roboter im Vorhinein schon sagen, was er abzufahren hat und man kann ihn normal auch über die ganzen Sensoren überwachen. Die Position sehe ich dabei auf meinem Rechner oder dem Smartphone und da habe ich auch noch ein Stück weit eine Fernsteuerung. Das ist so die grundsätzliche Logik, wo ich ihm sage was er zu tun hat und dies auch überprüfe.
Am Roboter selbst sind oft noch gewisse Sicherheitssensoren, meistens ein Berührungssensor – also ein taktiler Sensor – außen herum, weil er sonst irgendwo dagegen fahren würde. Zudem besitzt er häufig noch ein LIDAR-System („Light Detection and Ranging”), das in die größere Entfernung nach vorne prüft, ob da irgendetwas im Weg steht. Das kennt man z. B. auch von den Bremsassistenten bei den Autos. Diese bremsen schon einmal im Voraus ein wenig ab, sobald Personen auf dem Weg erkannt werden. Und das geschieht, bevor ein taktiler Sensor wirklich einen Stopp auslöst und die Maschine dann komplett zum Stehen bringt.

Welche Herausforderungen bringt die Digitalisierung speziell im ländlichen Raum mit sich, z. B. Stichwort „ Mobilfunkabdeckung“?

Christian Metz: Es geht darum, dass ich als Landwirt auf dem Feld draußen zumindest telefonieren kann. Aber daran scheitert es oft schon und der Empfang ist nicht immer gut. Nachdem wir hier aber mit GNSS-/-RTK-Technik arbeiten, müssen wir ziemlich genau arbeiten und dazu brauchen wir auch eine sehr gute Netzabdeckung . Daher ist die Netzabdeckung, die Leistungsfähigkeit des Netzes im ländlichen Raum, ein großes Thema, um diese Geräte einsetzen zu können.
Wenn man einen Schritt weitergeht, möchten wir vielleicht in Zukunft sogar, dass die Maschinen miteinander kommunizieren. Wenn ich statt einem großen Traktor drei kleine Roboter habe, die sich absprechen: „Ich fahr links, Du fährst rechts, aber wir sollen uns dann später am Ende des Feldes nicht treffen und kollidieren.“ Also die Absprache ist da auch ein Thema.
Und man geht davon aus, dass solche Roboter vielleicht nicht billig sind. Wenn ich mir dieses Gerät angeschafft habe, dann muss es natürlich auch gewartet werden. D. h. die ganze Servicestruktur dahinter muss aufgebaut werden. Die Firmen müssen dementsprechend ansprechbar sein und das Gerät muss für den Landwirt auch gut bedienbar sein. Das Teil muss funktionieren, damit man effizient arbeiten kann. Und das ist vielleicht dann auch so ein Punkt zum Thema Akzeptanz, wie diese Geräte dann auch in die Praxisanwendung kommen.

Wer stellt eigentlich solche Roboter her? Die großen Landmaschinenhersteller? Wer ist in dem Markt aktiv?

Christian Metz: Die Hersteller steigen mit ein und es gibt auch unterschiedlich dimensionierte Roboter. Wir hatten es mit dem RTK-Signal, da geht es auch um autonom fahrende Maschinen. Also nicht nur der Roboter, der abstrakt aussieht, sondern auch der Traktor, der einfach autonom fährt. Das ist auch schon ein Digitalisierungsgrad , den wir haben.
Die Technologien werden größtenteils von Start-ups vorangetrieben, sowohl aus der Agrarbranche als auch aus anderen Branchen. Das Ganze ist sehr interdisziplinär aufgestellt und das Interesse ist sehr hoch. Stefan, ihr habt ja bei euch auch Projekte laufen, wo Start-ups im niederbayerischen Ruhstorf daran forschen – und zwar international, oder?

Stefan Kopfinger: Genau. Die meisten auf dem Markt verfügbaren Roboter sind tatsächlich von Start-ups. Aber auch die großen herstellenden Unternehmen, sowohl für Traktoren als auch für die Landtechnik, bauen Prototypen oder Vorserien. Daneben haben viele Unis Forschungsprojekte wo Roboter in Studenten-Teams gebaut, sowie auf dem Feld erprobt und verbessert werden. Was momentan käuflich zu erwerben ist, ist allerdings eher von jungen Firmen.

Kann ich es mir so vorstellen, dass bei Euch beiden genau das zusammenkommt, also diese unterschiedlichen Kompetenzen zu bündeln?

Stefan Kopfinger: Als Forschungsanstalt beteiligen wir uns natürlich immer wieder an gemeinsamen Forschungsprojekten, bei denen immer auch Industriepartner und Partner von der Universität dabei sind. Da versuchen wir auf jeden Fall die wichtigen Player zusammenzubringen, um das Gesamte voranzutreiben.

Christian Metz: Genau da setzt auch unser Kompetenz-Netzwerk an. Wir vereinen die Akteure in der Landwirtschaft zu diesen innovativen Themen und vernetzen und kombinieren sie auch mit anderen Branchen. Und da ist die Automobilindustrie ein sehr schönes Beispiel. Wir bieten in dem Bereich Automotive oft Austauschveranstaltungen oder Events bei uns mit den verschiedenen Sektoren an. Und da tauschen sich dann die Landtechnikhersteller mit den Automobilherstellern sowie Mobilitätsanbietern aus und profitieren voneinander, z. B. bei den Themen Sensorik, komplexe Landschaften, komplexes Umfeld in der Landwirtschaft und das Umfeld in der Stadt, wo viele Menschen sich bewegen. Um es mit der Landwirtschaftssprache zu benennen, im Kompetenz-Netzwerk fallen die Ideen auf fruchtbaren Boden.

Wie funktioniert es in der Praxis als landwirtschaftlicher Betrieb? Kaufe oder miete ich so ein Gerät wie einen Roboter?

Stefan Kopfinger: Die meisten Geräte momentan sind Geräte, die ich mir kaufe. Das liegt auch mit an der Beschaffenheit. Ich rede hier jetzt meistens von dem FarmDroid FD20, dieser sät und hackt nach dem gleichen vordefinierten Raster. Das funktioniert, weil der Roboter das Saatgut so genau ablegt, dass es dort liegt, wo er es erwartet. Das ist ein System, welches ich eigentlich über die ganze Saison einsetzen muss, und zwar sehr regelmäßig. Insofern ist in diesem Fall ein Kauf eher sinnvoll, als wenn ich mir diese Dienstleistung immer wieder holen würde, und zwar jede Woche in einem sehr geringen Zeitabstand. Zudem ist die Maschine relativ langsam unterwegs, dafür erledigt sie aber diese sehr kostenintensive Handarbeit.
Das gibt es allerdings auch as a Service. Manche Hersteller, wie z. B. das Start-up Farming revolution, bieten die Dienstleistung „Hacken“ einfach mit ihrem Hackroboter an. Der weiß die Position dann aber nicht schon vorher, sondern arbeitet mit Kameras und auf Basis einer trainierten Mustererkennung unterscheidet er Kraut von Unkraut.

Steigert as a Service vielleicht auch die Akzeptanz? Wenn man einen Hackroboter einmal ausprobieren kann und man sieht, wie er die Handarbeit ersetzt, ist dann vielleicht eher der Anreiz da, die Investition zu tätigen?

Stefan Kopfinger: Genau. Das ist ein schöner Einstieg. Man sieht dann, wie gut die Maschinen arbeiten.

Christian Metz: Ich glaube auch, dass es einfach wichtig ist, das Ganze zu sehen, da so ein Roboter, wir haben anfangs den Marsrover erwähnt, sehr abstrakt ist. Die sehen meiner Meinung nach oft aus, wie so fahrbare Campingtische in allen Größen, die übers Feld fahren. Bei 40, 50 oder 60 solcher Anwendungen in Bayern, ist die Wahrscheinlichkeit nicht so groß, dass ich die beim Fahrradfahren entdecke und mich dadurch an den Anblick gewöhne.

Jetzt wollen wir den Blick noch in die Zukunft werfen. Stefan, was erwartet uns da? Woran forscht Ihr gerade an der Landesanstalt für Landwirtschaft?

Stefan Kopfinger: Also wir arbeiten gerade an der Systemintegration in Pflanzenbau-Systemen. Sprich, an dem sogenannten Strip Intercropping, einem kleinräumigen Pflanzenbau-System. Wir haben da ein neues Forschungsprojekt seit diesem Jahr: „Pflanzenbausystem der Zukunft – Biodivers – Bodenschonend – Digital“, wo es darum geht, diese Kleinräumlichkeit und deren Vorteile bezüglich Erosionsvermeidung, Biodiversitätssteigerung und Pflanzengesundheit zu überprüfen. Wenn ich so kleinräumig werde, ist aber natürlich klar, dass die Arbeit aufwendiger wird. Darum sind ja die Felder bisher gewachsen, darum wurde da etwas zusammengelegt. Und wir hoffen eben mit den Robotern Abhilfe zu schaffen, dass das ökonomisch noch irgendwie machbar bleibt, indem man diese Bearbeitungsschritte autonom durchführt. Da machen wir gerade Arbeitszeitbestimmungen, um zu schauen, ob das auch alles so stimmt, wie wir uns das vorstellen.
Grundsätzlich ist es momentan so, dass hauptsächlich kleine Nischen bedient werden, wie z. B. die Zuckerrübe. Da haben wir knapp unter vier Prozent Flächenanteil. Wenn wir jetzt die ökologischen Vorteile sehen, vielleicht von diesen Maschinen, dann wäre der Impact natürlich um einiges höher, wenn man da auch auf andere Kulturen gehen würde. Wie beispielsweise den Mais, der einfach einen viel höheren Flächenanteil mit 20 Prozent hat, um da dann einen Impact zu haben. Zum anderen wird auch diese attraktive Nische vielleicht irgendwann gesättigt sein. Aber wenn es so weit ist, dann werden auch die Maschinen fähiger und günstiger sein und in dem Bereich auch sinnvoll für Kulturen wie den Mais, wo man jetzt nicht so viel Geld mit dem Einsatz eines Hackroboters sparen kann, aber wo es sich immer noch rentiert, so eine Technologie einzusetzen.

Christian Metz: Das ist ein interessanter Ansatz. Also geht man jetzt mal abstrakt heran, dann kann man sagen, ich baue an jeder Stelle genau die Frucht an, die dort am besten wächst und am besten die Früchte daneben, die gegenseitig voneinander profitieren können. Stefan, ist das der abstrakte Gedanke dahinter?

Stefan Kopfinger: Ja, das ist sogar noch ein zweiter neuer Ansatz, den du hier ansprichst, Christian. Ganz so kleinräumig sind wir jetzt noch nicht. Wir haben 15 Meter breite Streifen und natürlich gibt es Visionen, in denen wirklich eine Pflanze neben der anderen wächst und alles sehr kleinräumig und jede Pflanze einzeln ist. Das ist eine sehr spannende Idee. Es wird vielleicht nicht in den nächsten drei Jahren kommen, aber es könnte irgendwann möglich sein.

Ich denke auch im Bereich der Digitalisierung tut sich in Zukunft noch einiges. Was steht da an, Christian? Welche Technologien wollt Ihr mit implementieren?

Christian Metz: Eine Technologie, die oft zum Einsatz kommt, ist die Drohne. Wir gehen jetzt auch in der Landwirtschaft in die Luft. Nicht nur in Südamerika ist es üblich, wenn man die Bilder von Flugzeugen dort vor Augen hat, die über die Flächen fliegen, sondern auch bei uns in Bayern kommt es immer mehr. Mit der Drohne kann ich das Feld auch von oben überwachen. Ich kann auch gezielt Nützlinge ausbringen, also biologische Schädlingsbekämpfung betreiben. Ich weiß dann, dort auf dem Feld sind meine Schädlinge, die ich nicht möchte und bringe dort dann die Nützlinge aus, die die Schädlinge fressen, ganz gezielt von oben.
Und mit solchen Drohnen kann ich z. B. auch Tierschutz betreiben. Rehkitze werden von ihren Müttern bevorzugt im hohen Gras abgelegt. Bevor die Wiesen gemäht werden, kann mithilfe von Drohnenbefliegungen die Situation analysiert werden und die Tiere vor dem Mähen gezielt aus den Flächen geholt werden. Die Anwendungen von Drohnen können Tierschutzaspekte mit Forstwirtschaft, Landwirtschaft und Gesellschaft miteinander vereinen. Ein weiterer Punkt neuer Technologien ist auch die Borkenkäfer-Detektierung. Man sieht an den Beispielen, es gibt etliche Branchen, die miteinander zusammenarbeiten und die gleichen Technologien nutzen und die vermeintlich die gleichen Anwendungsfälle haben.


Das Interview führte Christoph Raithel, Teamleiter Event bei der Bayern Innovativ GmbH.

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