Die Erdbeerernte stellt seit jeher eine der herausforderndsten Aufgaben in der Landwirtschaft dar. Insbesondere bei Anbauweisen auf Tischkulturen, die in Gewächshäusern oder Poly-Tunneln erfolgen, wird eine präzise und schonende Ernte immer wichtiger. Traditionelle Erntemethoden sind arbeitsintensiv, zeitaufwändig und unterliegen starken Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit von Arbeitskräften. Fachleute und Hersteller suchen daher seit Jahren nach innovativen Lösungen, die diesen Prozess automatisieren und gleichzeitig die Qualität der geernteten Früchte erhalten. Eine besonders vielversprechende Entwicklung in diesem Bereich stellt ein laserbetriebenes Erntewerkzeug dar, das speziell für Erdbeeren auf Tischkulturen entwickelt wurde.
Das prinzipielle Konzept beruht auf zwei Kernfunktionen eines jeden Erntewerkzeugs: Zum einen das präzise und schonende Einfangen der Frucht, zum anderen das zuverlässige Ablösen der Frucht vom Stängel. Herkömmliche mechanische Greifsysteme arbeiten meist mit einem recht robusten, oft auch klobigen Aufbau, der die Reichweite und Zugänglichkeit bei der Ernte stark einschränkt. Bei empfindlichen Früchten wie Erdbeeren führt dies häufig zu Beschädigungen und somit zu Ernteverlusten. Vakuumgreifer sind kompakter, erfordern jedoch eine genaue Positionierung und können hohe Kräfte ausüben, was wiederum die Fruchtqualität beeinträchtigen kann.Im Gegensatz dazu verbindet das vorgestellte laserbetriebene System beide Anforderungen auf neuartige Weise.
Die Erdbeere wird fast virtuell durch ein schmales, V-förmiges Rillen- und Sperrsystem von unten umschlossen. Diese Konstruktion ist aus mildem Stahl gefertigt, einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, um die Laserbearbeitung zu unterstützen und zugleich andere Komponenten vor Überhitzung zu schützen. Das Design sorgt dafür, dass der Stängel exakt in die Schneidposition gebracht wird, während die Frucht selbst kaum berührt wird, wodurch Schäden weitgehend ausgeschlossen sind.Für das Entfernen des Stängels kommt ein fokussierter Laserstrahl zum Einsatz, der aus sicherer Entfernung auf den Stängel gerichtet wird. Durch die Verbindung eines hochwertigen, motorisierten Konvexlinsensystems mit einem faserbasierten Laser mit 50 Watt Leistung gelingt es, die Laserfokussierung millimetergenau zu steuern und so den Stängel schonend, zugleich aber effektiv zu durchtrennen.
Ein seitliches Hin- und Herbewegen der Brennebene sorgt für einen optimierten Schnitt. Die Vorteile dieser Methode liegen auf der Hand: Es sind keine mechanischen Messer notwendig, was den Wartungsaufwand massiv reduziert. Außerdem kann die Wärmeentwicklung dazu beitragen, Viren abzutöten und so das Risiko von Pflanzenkrankheiten einzudämmen.Die Systemintegration umfasst neben dem Erntewerkzeug einen kollaborativen 6-DOF-Roboterarm, der das Werkzeug präzise positioniert. Zwei RGB-D-Kameras mit verschiedenen Blickwinkeln erfassen die Erdbeeren räumlich und farblich, um die passende Frucht auszuwählen und Ungenauigkeiten bei der Lokalisierung von bis zu ±15 Millimeter zu tolerieren.
Durch die schlanke Bauweise des Werkzeugs mit nur 35 Millimeter Arbeitsbreite ist die Zugänglichkeit in dichten Pflanzumgebungen deutlich verbessert, was herkömmlichen Greifern meist nicht gelingt.Ein weiterer Meilenstein ist die Geschwindigkeit des Systems. Die Kombination aus schneller Lokalisierung, kurzen Manipulationszeiten des Roboters und effektiver Laser-Schnittdauer ermöglicht durchschnittliche Erntezyklen von rund 8 Sekunden bei halber maximaler Geschwindigkeit. Erhöht man die Geschwindigkeit des Roboters auf 100 Prozent, reduziert sich der durchschnittliche Zyklus auf knapp über 5 Sekunden, womit sogar Menschen bei der Ernte über längere Zeiträume erreicht beziehungsweise übertroffen werden können.Die Wahl des optimalen Laserfokusdurchmessers ist entscheidend für die Effizienz des Schneidvorgangs.
Experimente zeigten, dass ein Spotdurchmesser zwischen 0,8 und 1,0 Millimeter das beste Verhältnis aus Penetrationsgeschwindigkeit und Schnittqualität liefert. Zu kleine oder zu große Fokusdurchmesser beeinträchtigen die Schnittgeschwindigkeit deutlich. Die präzisen Justagen des Linsensystems ermöglichen eine flexible Einstellung des Fokus und damit eine Anpassung an unterschiedliche Stängeldurchmesser und -beschaffenheiten.Die Softwareseite des Systems greift auf robuste Algorithmen zurück, um den Fruchtstand im dreidimensionalen Raum zu erfassen, einzelne Erdbeeren anhand ihrer Farbe zu segmentieren und deren Koordinaten für die Roboterprogrammierung zu liefern. Dadurch ist eine autonome und wiederholbare Ernte möglich.
Trotz des Fokus auf das Laserwerkzeug wurden in der Software einfache, aber funktionale Methoden eingesetzt, um den Demonstrationszweck zu erfüllen. Künftige Verbesserungen durch Deep-Learning-Methoden könnten die Erkennung speziell in komplexeren Pflanzensituationen weiter optimieren.Die Vorteile eines laserbetriebenen Erntewerkzeugs für Erdbeeren sind vielfältig. Die Wartungsfreundlichkeit liegt deutlich über mechanischen Schneidesystemen, da kein physisches Schneidwerkzeug verschleißt. Dies reduziert Ausfallzeiten und Betriebskosten.
Außerdem ist die Verletzung am Stängel durch den Laser thermisch versiegelt, was den Wasserverlust der Frucht minimiert und die Haltbarkeit erhöht. Zudem spielt die hohe Temperatur während des Laserprozesses eine Rolle bei der Bekämpfung von Krankheitserregern, was sich positiv auf die Gesamtgesundheit der Pflanzen auswirkt.Die Automatisierung der Ernte verringert zudem die Abhängigkeit von saisonalen Arbeitskräften und kann Personalkosten deutlich senken. Während manuelle Pflücker im besten Fall pro Erdbeere rund 1,2 Sekunden benötigen, können automatisierte Systeme mit konstantem Betrieb über lange Schichten mit einer Zykluszeit von etwa 6 Sekunden konkurrenzfähig sein. Zudem sind Roboter resistent gegen Erschöpfung und ermöglichen eine kontinuierlich hohe Qualität und Geschwindigkeit.
Perspektivisch eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, das System weiterzuentwickeln. Beispielsweise könnte der Austausch des Roboterarms durch eine dedizierte 3D-Linienführung zur Reduzierung der Zykluszeiten beitragen. Ein Laser mit höherer Leistung, etwa 100 Watt, verspricht ebenfalls schnellere Schnitte. Die Parameter des Laserfokus lassen sich bei höherer Leistung neu kalibrieren, um das Optimum im Schneidprozess zu finden. Auch die Integration fortschrittlicher Bildverarbeitung auf Deep-Learning-Basis wird die Erkennung präzisieren und die Arbeit in unübersichtlichen oder stark bewachsenen Kulturen erleichtern.
Nicht zuletzt stellen Ergonomie und Arbeitssicherheit wichtige Aspekte dar. Die Verwendung von Laserstrahlen muss streng kontrolliert werden, um Bedienpersonal und Umwelt zu schützen. Der Verzicht auf scharfe Messer reduziert Verletzungsrisiken und handhabungsbedingte Unfälle. Zudem kann das System, wenn es in mobilen Robotern eingesetzt wird, zur vollautonomen Ernte beitragen und Menschen von monotonen, körperlich beanspruchenden Tätigkeiten entlasten.Insgesamt zeichnet sich eine klare Zukunft für die Nutzung von laserbasierten Technologien in der landwirtschaftlichen Ernte ab.
Speziell bei empfindlichen und wertvollen Früchten wie Erdbeeren bietet die Technologie eine innovative Möglichkeit, Effizienz, Qualität und Nachhaltigkeit zu steigern. Die hier vorgestellten Entwicklungen zeigen, dass Kombinationen aus präziser Robotik, smarter Bildverarbeitung und thermischen Schneidemethoden eine reale Perspektive auf vollautomatisierte und wirtschaftliche Erntelösungen bieten. Landwirte und Produzenten können dadurch auf lange Sicht ihre Wettbewerbsfähigkeit stärken, den Personaleinsatz optimieren und dem Verbraucherverlangen nach frischen, unversehrten Produkten besser entsprechen.
