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Autonomer Unkrautroboter: Für eine Zukunft ohne Herbizide

Wie ein Projekt von Studierenden Wege für eine umweltfreundliche Bekämpfung von Unkraut aufzeigt. 

Der Einsatz von Unkrautbekämpfungsmitteln (Herbiziden) in der Landwirtschaft birgt für Mensch und Umwelt deutliche Gefahren. Häufig finden sich Rückstände im Grundwasser, wobei die Schweiz von einer besonders starken Verunreinigung desselben betroffen ist. Zudem fand eine Studie im Auftrag des Bündnisses für eine enkeltaugliche Landwirtschaft und des Umweltinstituts München heraus, dass Herbizide und ihre Abbauprodukte weit durch die Luft verbreitet werden: Untersuchungen an 165 deutschen Standorten ergaben, dass entsprechende Mittel an circa drei Viertel der Orte nachweisbar waren. Diese befanden sich zwischen weniger als 100 und mehr als 1000 Meter entfernt von Äckern, auf denen Herbizide gesprüht werden. Gleichzeitig fehlt es bislang noch an Lösungen, die mit der Effektivität und Wirtschaftlichkeit von Herbiziden mithalten können. Aus diesem Grund hat ein Team aus Studierenden der ETH Zürich und der Fachhochschule Nordwestschweiz  den Prototypen eines autonomen Unkrautroboters entwickelt: Rowesys, was für „Robotic Weeding System“ steht. Er kommt völlig ohne Herbizide aus und zerstört Unkraut allein auf mechanische Weise. Bei der Rahmenkonstruktion vertrauen die Studierenden auf Profile aus dem item MB Systembaukasten.

Eine Idee – unbegrenzte Möglichkeiten

Flexibel, robust und hochwertig: Der item MB Systembaukasten ist seit über 40 Jahren die optimale Lösung für alle konstruktiven Aufgaben im Maschinen- und Betriebsmittelbau.
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Unkrautbekämpfung auf die sanfte und ungiftige Art

Rowesys wurde im Rahmen eines Fokusprojekts innerhalb von neun Monaten entwickelt. Das zehnköpfige Team besteht aus sechs Maschinenbauern, zwei Elektrotechnikern und zwei Industriedesignern. Bei einem solchen Fokusprojekt am Ende des Bachelorstudiums geht es stets darum, dass die Studierenden das ihnen im Studium vermittelte Wissen praktisch anwenden und alle Phasen der Produktentwicklung berücksichtigen. Der 300 kg schwere Unkrautroboter mit vier Rädern und den Maßen 2100 x 940 x 1200 mm wird in einem Zückerrübenfeld eingesetzt. Die „Königin der Feldfrüchte“ hat besonders mit Unkraut zu kämpfen, daher eignet sich ein solches Feld optimal zur Demonstration der Leistungsfähigkeit von Rowesys. Während der Unkrautroboter über eine manuelle Steuerung dorthin bewegt werden muss, agiert er im Feld vollkommen autonom: „Rowesys verfügt über zwei Kameras. Mit der Frontkamera ist er in der Lage, Zuckerrübenreihen zu erkennen und sich entsprechend zu positionieren. Eine zweite Kamera, die senkrecht auf die Erde gerichtet ist, gewährleistet, dass er einzelne Zuckerrüben, aber auch Unkraut erkennen und voneinander unterscheiden kann“, erklärt Pascal Lieberherr, der Initiator des Projekts.

Die kleinen Pflüge tauchen circa zwei Zentimeter in die Erde ein und trennen das Unkraut von der Wurzel – am Ende liegt das ausgerissene Unkraut dann an der Oberfläche und vertrocknet.

Unkraut wird mit vier Pflugscharen entfernt, die sich an einer Konstruktion am hinteren Ende des Unkrautroboters befinden. Diese kleinen Pflüge tauchen circa zwei Zentimeter in die Erde ein und trennen das Unkraut von der Wurzel – am Ende liegt die ausgerissene Pflanze an der Oberfläche und vertrocknet. Zwischen den Zuckerrübenreihen ist die Unkrautbeseitigung vergleichsweise einfach, doch innerhalb der Reihe besteht grundsätzlich die Herausforderung, dass die Rüben beschädigt werden könnten. Daher werden die Pflugscharen entsprechend geöffnet oder geschlossen, je nachdem, was die zweite Kamera an das System weitergibt. Somit lässt sich verhindern, dass die Zuckerrüben von den Pflügen berührt werden. Bei der Unkrautentfernung hat der Unkrautroboter eine Geschwindigkeit von 0,2 m/s, maximal kann er 1 m/s (3,6 km/h) erreichen. Der aktuelle Modus ist zudem anhand verschiedener Geräusche und Farben an der LED-Beleuchtung von Rowesys erkennbar. Umschlossen wird die Elektronik im Inneren durch eine futuristisch-minimalistische Außenhülle aus Aluminium.

Profiltechnik im Einsatz für eine nachhaltigere Landwirtschaft

Herzstück des Unkrautroboters ist eine Art „Skelett“ in Form einer Rahmenkonstruktion aus Aluminiumprofilen von item. Daran sind die Räder sowie die komplette Elektronik und Motoren befestigt. Die Profile kommen auch an der Konstruktion mit den Pflugscharen zum Einsatz. Zunächst schaute sich das Team mehrere Varianten an. Hierbei war auch eine Umsetzung mit Stahl eine Option: „Doch mit dem Schweißen waren wir nie wirklich zufrieden. Es handelt sich ja auch um den ersten Prototypen, gerade dann möchte man möglichst flexibel sein. Das ist bei Stahl einfach nicht gegeben. Und zusätzliche Halterungen sind sehr schwierig anzubringen oder mit viel Aufwand verbunden“, sagt Herr Lieberherr. Doch dann kam entscheidender Input von einem Coach des Projekts an der ETH Zürich, der die item Profiltechnik empfahl:  Er betonte die Flexibilität der Verbindungstechnik und die Stabilität der Kompontenten aus dem MB Systembaukasten.

Der gesamte Bestell-, Design- und Fertigungsprozess war durch die Zusammenarbeit mit item deutlich einfacher, als es sonst der Fall gewesen wäre. Auch die Nutzung des item Engineeringtools hat viel Zeit gespart.

Auch die positiven Erfahrungen bei CHIRON, einem weiteren Fokusprojekt, bei dem ein innovativer Roboter entwickelt wurde, hatten einen Einfluss auf die Entscheidung. Über die damaligen Projektbeteiligten kam schließlich der Kontakt zu item Schweiz zustande. „Neben der Unterstützung von item als Sponsor und der Flexibilität der Profile war auch die Beratung sehr hilfreich. Der gesamte Bestell-, Design- und Fertigungsprozess war durch die Zusammenarbeit mit item deutlich einfacher, als es sonst der Fall gewesen wäre. Auch die Nutzung des item Engineeringtools hat viel Zeit gespart“, so Herr Lieberherr. Optimierungen des Unkrautroboters sind fest eingeplant. Schon jetzt zeigt er klar auf, in welche Richtung sich eine nachhaltige Landwirtschaft dank innovativer Technologie entwickeln kann. Überhaupt wird an der ETH Zürich Nachhaltigkeit großgeschrieben. So muss pro Flugkilometer jedes ETH-Mitarbeiters das jeweilige Institut eine Abgabe in eine spezielle Kasse einzahlen. Die Verantwortlichen dieser Kasse wandten sich an die Studierenden und fragten sie nach Ideen für Fokusprojekte, die den Sustainable Development Goals der Vereinten Nationen dienen. Auf diese Weise kam auch das Rowesys-Projekt ins Rollen.

Ein Blick in das komplexe Innere des autonomen Unkrautroboters.

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