Smarte Agrartechnik
An Lösungen für Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion forschen wir im Innovationsfeld Smarte Agrartechnik. Mit dem Laser lassen sich Unkrautmanagement, die Bekämpfung von Schädlingen und die Lebensmittelverarbeitung neu denken mit den Zielen, weniger Pflanzenschutzmittel einzusetzen, die Effizienz zu erhöhen und mehr Lebensmittelsicherheit zu erreichen. Dazu forschen wir an der Kombination von Bildgebung und maschinellem Lernen, um Pflanzen und Schädlinge präzise zu erkennen und gegebenenfalls unschädlich zu machen. Wir beschäftigen uns mit der Desinfektion und Markierung von Lebensmitteln und bringen den Mehrwert des Lasers in die Produktion und Individualisierung von Landmaschinen ein.
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Dr. rer. nat. Tammo Ripken
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Smarte Agrartechnik in der Übersicht:
Pflanzenschutz
Smarter Pflanzenschutz ermöglicht Herbizide zu reduzieren oder ganz unnötig zu machen. Dazu forschen wir an der gesamten Prozesskette von der Erkennung von Pflanzen bis zu deren Unschädlichmachung und führen die Schritte in praxistauglichen Systemen zusammen. So soll je nach Anwendung ein angepasstes Bearbeitungsgerät entstehen, denn der Vorteil der Lasertechnik: sie ist plattformunabhängig.
Wir entwickeln Bildgebungssysteme und Algorithmen, um mit Hilfe künstlicher Intelligenz monokotyle und dikotyle Pflanzen eindeutig zu erfassen und zu erkennen. Dabei liegt ein Schwerpunkt auch darin, den optimalen Ansatzpunkt für den Laser auf der Pflanze zu bestimmen. Diese Informationen übertragen wir auf automatisierte Prozesssteuerungen, damit zukünftig selbstfahrende Systeme auf dem Feld oder im Gewächshaus zum Einsatz kommen, eigenständige Entscheidungen treffen können und so laserbasiert zielgenauen Schutz der Pflanzen vor Konkurrenzpflanzen oder Schädlingen betreiben können.
Laserbasierte Prozesse ermöglichen eine nachhaltige, chemikalienfreie und präzise Pflanzenkontrolle. Wir entwickeln photonische Prozesse, mit denen ungewünschter Pflanzenbewuchs zum Beispiel auf Verkehrsanlagen umweltschonend begrenzt oder entfernt werden kann. Dabei setzen wir darauf die Wuchszentren der Pflanzen gezielt zu schädigen. Chemische Mittel sollen damit in Zukunft unnötig werden.
Lichtbasiertes Unkrautmanagement behandelt selektiv konkurrierende Pflanzen, wie Unkräuter oder Ungräser. Dafür werden lebenswichtige Pflanzenteile wie zum Beispiel das Wuchszentrum gezielt geschädigt. Nutzpflanzen erhalten dadurch den nötigen Wuchsvorteil. Wir forschen daran, wie die Pflanzen im Wachstum gehemmt oder komplett eliminiert werden können. So kann etwa auch Beikraut, das keine Konkurrenz für Nutzpflanzen darstellt, geschont und die Biodiversität auf Nutzflächen somit erhöht werden.
Für den smarten Pflanzenschutz steht die intelligente Verknüpfung und Zusammenführung des Lasersystems mit der Bildgebung und Prozesssteuerung im Vordergrund unserer Arbeit. Wir entwickeln und integrieren laserbasierte Systeme für Anbaugeräte und autonome Plattformen. Dabei entwickeln wir nicht nur die notwendigen Lasermodule, wir passen diese auch auf verschiedene Anlagen und Geräte an oder optimieren diese. Mithilfe von künstlicher Intelligenz und dem Internet of Things (IoT) stellen wir sicher, dass die Systeme mit vorhandener Agrartechnik und gängigen Informationssystemen kommunizieren. Dafür entwickeln und validieren wir notwendige Module. Im Vordergrund stehen weiterhin die Feldtauglichkeit und die Sicherheit.
Pflanzenproduktion
Der Einsatz lichtbasierter Methoden erlaubt neuartige nachhaltige und chemiefreie Ansätze für die Pflanzenproduktion. Die Behandlung von Saatgut oder Pflanzen mittels Laser kann etwa die Keimung oder die Bildung von sekundären Pflanzenstoffen beeinflussen. Wir entwickeln Prozesse und Systeme für das präzise Vereinzeln oder Ausdünnen von Pflanzen und Blüten. Wir beschäftigen uns aber auch mit technischen Aspekten wie der Entwicklung von smarten Bewässerungsanlagen.
Optische Methoden helfen dabei, hochwertige Saaten besser charakterisieren zu können. Wir kombinieren Bildgebung mit künstlicher Intelligenz, um die Saatgutqualität zerstörungsfrei und damit verlustfrei zu bestimmen. Wir setzen berührungslose Verfahren ein, um die Pflanzenvermehrung und -züchtung zu vereinfachen und zu optimieren. Der Laser ermöglicht unter anderem ein kraftfreies und kontaktloses Sampling für Genotyping oder steriles Schneiden in der vegetativen Pflanzenvermehrung. Die individuelle Erkennung, Erfassung und Eliminierung von Pflanzen übertragen wir auch auf weitere Arbeitsschritte, wie das Vereinzeln oder anderweitiges Selektieren von Pflanzen.
Ressourcenschonende, sparsame Bewässerung erreichen wir, indem wir mit dem Laser Komponenten für intelligente Bewässerungssysteme additiv herstellen. Denn diese Technologie lässt einen maximalen Grad an Individualisierung zu und eignen sich auch für einzigartige Fragestellungen. 3D-gedruckte Bauteile können sehr frei konstruiert werden und erlauben beispielsweise Verzweigungen einzubauen. So können Systeme genau angepasst auf Begebenheiten in der Stadt oder auf dem Land angepasst werden.
Die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung stellt eine zunehmend große Herausforderung dar. Um Nutzpflanzen besser an ein sich wandelndes Klima anzupassen, kann die Genschere CRISPR/Cas9 eingesetzt werden. Mit dieser sind sehr gezielte Veränderungen im Pflanzengenom möglich, ohne dass unvorhersehbare Nebeneffekte zu erwarten sind. Wir erforschen eine Laser-basierte Methode, um diese Moleküle in die Pflanzenzellen einzubringen. Die automatisierte Optoporation soll hohe Effizienz mit geringer Zellschädigung, hohem Durchsatz und maximaler Kontrolle verbinden. Mit Partnern der Leibniz Universität Hannover soll so beispielsweise der Giftstoffgehalt in Kartoffelpflanzen reduziert werden.
Fertigung für die Landtechnik
Lasertechnologie lässt sich im Bereich Landmaschinentechnik vielfältig einsetzen. Mit smarter Landmaschinentechnik werden intelligente Zukunftskonzepte für eine ressourceneffiziente Bewirtschaftung möglich. Wir arbeiten daran, neue Materialien für die Be- und Verarbeitung in der Landmaschinentechnik einzusetzen. Außerdem beschäftigen wir uns mit der laserbasierten Additiven Fertigung von individuell an Einsatz und Nutzer zugeschnittenen Bauteilen, sowie mit der Reparatur und dem Verschleißschutz von hochbelasteten Teilen. Diese Ansätze erlauben neue Herangehensweisen an den Leichtbau und die Konstruktion.
Um Landmaschinen und andere Geräte zukünftig leichter und effizienter herstellen zu können, forschen wir an neuen Materialien, Prozessen und neuartiger Konstruktion von Bauteilen. Wir entwickeln Topologie-optimierte Bauteile für die Additive Fertigung oder arbeiten daran, komplexe Baugruppen in eins zu fertigen. Ebenso forschen wir im Bereich des Fügens von Mischverbindungen zum Beispiel aus Stahl-Aluminium, um Gewicht zu reduzieren. Wir entwicklen außerdem Prozesse und Verbindungselemente, die es ermöglichen diese gewichtsoptimierten Bauteile einzusetzen.
Beim Einsatz von Lasern im Außenbereich müssen sehr hohe Sicherheitsstandards eingehalten werden. Das System muss nicht nur für die Bedienenden, sondern auch für unbeteiligte Passanten sicher ausgelegt werden. Der Einsatz von Laserstrahlung und intelligenter Systemtechnik in der Unkraut- und Schädlingsbekämpfung erfordert hohe Sicherheitsvorkehrungen. Daher richten wir von Beginn an unsere besondere Aufmerksamkeit auf diesen Aspekt, um dem Umwelt- und Personenschutz im vollen Umfang gerecht zu werden.
Für die Herstellung oder Individualisierung von Landmaschinen entwickeln wir die nötige Anlagentechnik sowie Systemkomponenten für neuartige Prozesse. Wir entwickeln beispielsweise spezielle Anlagen oder Komponenten für innovative Füge- und Trennprozesse. Dabei beschäftigen wir uns speziell auch mit hohen Blechstärken oder Mischverbindungen. Wir fertigen und integrieren Laserbearbeitungsköpfe für die Reparatur von Bauteilen sowie für das Auftragen von Verschleißschutzschichten und nutzen unsere Expertise in der Additiven Fertigung für eine innovative Produktion in der Agrartechnik.
Um bei landwirtschaftlichen Geräten und Maschinen längere Stand- und Produktlebenszeiten zu erreichen, forschen wir an Reparatur- und Verschleißschutzprozessen. Mit Pulver- oder Draht-Auftragsschweißen können Oberflächen mit Verschleißschutzschichten versehen sowie beschädigte Teile neu aufgebaut und instandgesetzt werden. Hier arbeiten wir beispielweise an effizienten Verfahren mit hoher Depositionsrate bis 20 kg/h. Damit wollen wir speziell die Reparatur von (Klein-) Serienbauteilen wirtschaftlicher machen. Ebenso beschäftigen wir uns mit der optimalen Anbindung der Schutzschicht an das Grundmaterial sowie mit hybride Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen.
Insekten und Schädlinge
Pflanzen vor herbivoren Insekten und anderen tierischen Schädlingen schützen - ohne Nützlingen zu schaden: an diesem Ansatz arbeiten wir intensiv. Dazu kombinieren wir neuartige Bildgebungstechnologien mit künstlicher Intelligenz. Durch diesen Ansatz sollen innovative Systeme Schädlinge im Pflanzenbau gezielt erkennen und korrekt bestimmen. Wir arbeiten an den dahinterliegenden Prozessen, (autonomen) Systemen und an der Integration in die Prozesse vor Ort.
Damit zukünftig weniger Pflanzenschutzmittel im Anbau von Obst und Gemüse eingesetzt werden, arbeiten wir an einer intelligenten optischen Schädlingsabwehr. Auf Basis von Bildgebung und künstlicher Intelligenz trainieren wir Systeme, damit sie Schädlinge von Nützlingen unterscheiden können. Wir entwickeln und integrieren robuste Lasersysteme, etwa um den Pflanzenbefall mit weißen Fliegen einzudämmen oder mit Milben infizierte Bienen zu behandeln. Herausforderung ist hier: die Systeme müssen mit den vorhandenen Umweltbedingungen gut zurechtkommen. Für den Einsatz in den Betrieben entwerfen wir entsprechende Sicherheitskonzepte und setzen diese um.
Für das smarte Monitoring von Insekten entwerfen wir selbstlernende Programme und entwickeln Bildgebungssysteme weiter. Wir arbeiten zusammen mit Partnern an künstlicher Intelligenz, um die Erkennung verschiedener tierischer Schädlinge und Nützlinge zu verbessern. Zentral ist dabei die Datenweitergabe an nachgeschaltete Systeme, um Prozesse wie die optische Schädlingsbehandlung zu steuern. Außerdem arbeiten wir daran das Monitoring zu nutzen, um die Befallsstärke zu ermitteln oder bestäubende Nützlinge zu zählen.
Lebensmittelverarbeitung
Laserbasierte Prozesse machen eine nachhaltige, digitalisierte Lebensmittelverarbeitung möglich. Wir forschen daran, mit smarten laserbasierten Prozessen Lebensmittel zu veredeln, weiter zu bearbeiten oder zu markieren. Weiterhin arbeiten wir daran, smarte Lasertechnologie zu nutzen, um pathogene Keime in der Fleischindustrie zu reduzieren, um alternative Betäubungsmethoden zu etablieren oder um Lebensmittelsicherheit zu garantieren.
Desinfektionsverfahren mit energiereicher Laserstrahlung könnten die Belastung von Fleisch mit Bakterien minimieren, ohne weitere Zusatzstoffe einsetzen zu müssen oder zu drastischen Maßnahmen wie Chlorbädern zu greifen. Wir arbeiten daher an laserbasierten Verfahren, die die Qualität des Fleisches nicht beeinflussen und sich zuverlässig und sicher in den Fleischverarbeitungsprozess integrieren lassen.
Lasermarkierungen auf pflanzlichen und tierischen Lebensmitteln können zur Rückverfolgung in der Warenkette oder zur Etikettierung genutzt werden. Diese müssen hohen Ansprüchen gerecht werden. Denn Qualität und Geschmack dürfen sich nicht verändern und die Markierung darf keine gesundheitsschädigende Wirkung haben. Wir entwickeln Markierungsmethoden, um beispielswiese eine eindeutige Rückverfolgbarkeit der Nahrungsmittel zu gewährleisten. Unsere Technologien können damit einen wichtigen Beitrag zur Verhinderung von Food Fraud leisten.
Laserbasierte Schlachttechnik kann dazu beitragen, Tiere schonend, sicher und schnell vor der Schlachtung zu betäuben. Die neuartigen Methoden minimieren Fehlerquoten im Betäubungsprozess und tragen so zu gesteigertem Tierwohl, Arbeitssicherheit und Fleischqualität bei. Dazu entwickeln wir die notwendige Prozesstechnik und bestimmen die Prozessparameter, immer mit Blick auf die Praxistauglichkeit und die Integration in den Schlachtprozess. Smarte Systeme ermöglichen den Ansatzpunkt für die Betäubung sicher zu erkennen; durch Bildgebung mit selbstlernenden Algorithmen.