Slimme veldrobot en röntgentechnologie dragen bij aan smart farming

Klimaatverandering zorgt voor grote uitdagingen, vooral voor plantenveredelaars. Een intelligente veldrobot en röntgentechnologie helpen hen bij het selecteren van hittetolerante plantenvariëteiten. De sensoren in de hightech machine zijn ontwikkeld door het Fraunhofer Development Center for X-ray Technology, een divisie van het Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS.

Onze zomers worden steeds heter. De droogte die afgelopen zomer met zich meebracht, trof ook de planten. Bij een ruime watertoevoer kunnen deze planten zichzelf koelen door verdamping. Bij droogtestress kunnen ze dit echter niet. Daarom hopen plantenveredelaars warmtetolerante, droogteresistente planten te ontwikkelen die met minder water kunnen overleven. En dit zonder in te boeten aan een goede opbrengst terwijl er zo weinig mogelijk meststoffen en bestrijdingsmiddelen nodig zijn.

Fraunhofer

Onderzoekers van het Fraunhofer EZRT doen al jaren onderzoek naar technologieën voor het bepalen van het fenotype van planten. Dit verwijst naar hun uiterlijke verschijning, die een veelheid van factoren omvat. Denk daarbij aan bladgrootte, bladschikking, worteldikte en opbrengst. “Mensen selecteren al duizenden jaren gewassen op basis van uiterlijke kenmerken,” legt Dr. Stefan Gerth uit, afdelingshoofd bij het Fraunhofer Development Center X-ray Technology van Fraunhofer IIS. “Wij ontwikkelen technologieën om deze fenotype kenmerken objectief te meten. Op basis daarvan is het mogelijk de veredeling te optimaliseren.”

3D-beeldvorming gebruiken om opbrengsten te voorspellen

Het onderzoeksteam onder leiding van Dr. Gerth heeft bijvoorbeeld sensortechnologie ontwikkeld voor een robot die voor landbouwtoepassingen wordt gebruikt, de DeBiFix. Terwijl DeBiFix zich een weg baant door dicht opeengepakte gewassen, maakt hij voortdurend röntgenopnamen van de planten. Tegelijkertijd genereert de robot 3D-beelden met behulp van een optisch systeem. Dit is belangrijke informatie voor de veredelaar die eigenaar is van het veld waar de robot aan het werk is. Het stelt hem in staat om in feite in de gewassen te bekijken en te bepalen of de variëteit die hij verbouwt een goede opbrengst zal opleveren.

Biogene waardecreatie en smart farming-project

De belangrijkste doelstelling van het transregionale Fraunhofer-project voor slimme landbouw is de ondersteuning van veredelaars. In het kader van dit project wordt in Triesdorf (Beieren) het Fraunhofer Center for Plant Phenotyping Technologies opgestart. Op deze locatie willen Dr. Gerth en zijn collega’s hun expertise verder ontwikkelen en in de praktijk toepassen. Triesdorf is de thuisbasis van agrarische onderwijsinstellingen en de Hogeschool voor toegepaste wetenschappen van Weihenstephan-Triesdorf. Fraunhofer IIS werkt nauw samen met het daar gevestigde Competence Center for Digital Agriculture.

Selecteren van hittebestendige plantenvariëteiten

In het laboratorium voor fenotypering van planten in klimaatgecontroleerde omgevingen bij Fraunhofer EZRT in Fürth demonstreert Dr. Gerth hoe veredelaars in de toekomst zullen werken. Op de smalle transportband voor het röntgenapparaat staan potten met verschillende gewasplanten in keurige rijen opgesteld. De deur van het röntgenapparaat gaat open, en een pot rolt naar binnen. Als de deur dicht is, ondergaat de pot een computertomografie-scan, naast andere tests. Vijf minuten later is het tijd voor de volgende pot.

Analyse beelden

“Meer dan tien jaar geleden zijn we begonnen met het maken van röntgenfoto’s van aardappelplanten om informatie te krijgen over de groei van de knollen”, meldt Dr. Gerth. “Op basis van de 3D-röntgenscans kunnen we het gewicht van de knollen bepalen. We hoeven ze daarvoor niet op te graven.” Dit proces wordt onder meer gebruikt voor het selecteren van bijzonder hittebestendige variëteiten. Daartoe worden de planten onder hittestress in de laboratoriumcabine geplaatst. De scans tonen dan aan welke planten het best met de stress omgaan en sterke knollen vormen ondanks de hitte.

Röntgenapparaat voor ondergrondse plantendelen

Met de eerste computertomografiescans was het mogelijk om dikke wortels en knollen vast te leggen. Tegenwoordig kunnen de nieuwe systemen ook de delicate ondergrondse wortelstructuur van tarwe vastleggen. “Ons nieuwe röntgenapparaat is het modernste, krachtigste systeem voor het maken van röntgenfoto’s van ondergrondse plantendelen,” zegt Dr. Gerth.

3D-beelden

Onderzoekers van het Fraunhofer EZRT maken ook digitale 3D-beelden van de bovengrondse delen van de planten, zoals bladeren en tarwearen. Deze gegevens kunnen worden gebruikt om meer dan alleen de oppervlakte van het bladoppervlak te bepalen. De 3D-beelden geven ook informatie over de warmtetolerantie van de plant. Heft de plant zijn bladeren op om zich tegen de zon te beschermen? Krult hij zijn bladeren op als gevolg van stress?

Plantherkenningssystemen

De efficiëntie van Fraunhofer EZRT’s optische plantherkenningssystemen werd duidelijk aangetoond in een testveld bij het zaadbedrijf Strube D&S GmbH. In dit geval werd het tweede BlueBob prototype gebruikt. Dit is een veldrobot die zelf navigeert en automatisch onkruid verwijdert in suikerbietenvelden. Terwijl hij zich tussen de rijen verplaatst, neemt hij beelden op van alle levende planten met behulp van multispectrale camera’s.

Kunstmatige intelligentie

“Door gebruik te maken van kunstmatige intelligentie wordt het fenotype van elke individuele plant geanalyseerd en geclassificeerd als onkruid of biet,” legt Christian Hügel, hoofd van het Technisch Centrum voor Zaadonderzoek bij Strube, uit. Als BlueBob 2.0 een onkruid identificeert, verwijdert hij het uit de grond met zijn schoffelwerktuigen. Het verwijdert onkruid tussen de rijen met behulp van statische werktuigen. Binnen de rijen maakt hij gebruik van bewegende werktuigen. Het resultaat is dat bijna al het onkruid rond de bietenplanten wordt verwijderd. Dit betekent dat het gebruik van chemische onkruidverdelgers drastisch kan worden verminderd.

Foto en bron: Fraunhofer IIS