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Die Verschmelzung von Bildverarbeitungssystemen, Maschinenlernen und Robotik – in Form von Ernterobotern – nimmt rasant an Fahrt auf und steht nach entscheidenden Durchbrüchen schon bald vor der Einführung in die Apfelanlagen. Wo stehen die Entwicklungen und wann rollen die ersten Ernteroboter auch hierzulande durch die Obstanlagen? Dazu soll dieser Artikel mit Fragen, Antworten und Impulsen beitragen. Soviel sei vorweg verraten: Wissenschaft und Forschung haben geliefert!
Seit Adam und Eva werden wohl alle Äpfel weltweit von Hand gepflückt. Bewährt hat es sich, das steht außer Frage. Doch dann änderte ein Start-Up-Unternehmen aus dem Silikon Valley in Kalifornien vor kurzem auch diese (veraltete?) Herangehensweise. „Mal wieder!“, muss an dieser Stelle anerkannt werden, gilt das Silikon Valley doch als einer der bedeutendsten Standorte der IT- und Hightech-Industrie weltweit. Abundant Robotics heißt das Unternehmen aus Hayward, Kalifornien, das im März 2019 die erste von Robotern durchgeführte Apfelernte der Welt ausrief. Der dort entwickelte Ernteroboter pflückte Apfelplantagen von Turners&Growers (T&G Global), einem der größten Apfelproduzenten Neuseelands. Diesen technischen Meilenstein veröffentlichte das Unternehmen in einem eindrucksvollen Youtube-Video.
Die Entwicklungen bei Abundant Robotics nahmen 2015 erstmals Fahrt auf. Mit einer Initialfinanzierung von 250.000 Dollar und fachlicher Betreuung der Forschung durch die Washington Tree Fruit Research Commission (WTFRC), einem Zusammenschluss der Obstbauern im US-Bundesstaat Washington und der Washington State University (WSU). Das technologische Know-How brachte das Stanford Research Institute der Stanford Universität in das Forschungsprojekt ein. Durch namhafte Investoren wie Kubota und Yamaha Motors kann Abundant Robotics mittlerweile auf ein Forschungsbudget von ca. 10 Millionen Dollar zugreifen.

Menschliche Arbeit ersetzen
Der neue Roboter von Abundant Robotics zeigt, dass innovative Erntetechnik nicht länger Zukunftsmusik ist: Ernteroboter für Äpfel sind in greifbare Nähe gerückt. Start-ups, etablierte Unternehmen und Universitäten auf der ganzen Welt haben sich längst den drängenden ökonomischen
Herausforderungen der Fruchtproduktion verschrieben. Sie wollen
• die Abhängigkeit von saisonalen Arbeitskräften minimieren,
• die Erntekosten senken und
• die Erntequantität und -qualität steigern.
Und so ist Abundant Robotics auf diesem Gebiet längst nicht mehr allein unterwegs: Auch FFRobotics sowie Tevel Aerobotics mit Sitz in Israel haben kürzlich interessante Prototypen entwickelt. Alle vielversprechenden Ernteroboter haben gemein, dass sie die im Menschen vornehmlich unterbewusst ablaufende Augen-Hand-Koordination der Apfelernte nachahmen:
• Frucht lokalisieren,
• über die Ernte entscheiden (Größe und Farbe),
• Erntevorgang planen,
• Arm ausstrecken
• und die Frucht schließlich mittels leichter Drehung nach dem Erfassen ernten.
Die genannten Firmen verfolgen dabei unterschiedliche technische Lösungen, die im Folgenden objektiv beschrieben werden sollen. Wie steht es also Anfang 2021 um die erfolgversprechendsten Entwicklungen der Ernterobotik?
 
Ernte mittels Saugtechnik
Funktionsweise des Roboters von Abundant Robotics: Eine selbstfahrende Plattform trägt den Verbrennungsmotor, ein System für computerbasiertes Sehen (Computer-Vision), ein Unterdruck-System, einen zielgenau gesteuerten Roboterarm, ein Rückprall-System sowie den Kistenfüller (s. Foto 1). Das Kamerasystem erkennt die reifen Äpfel und führt einen Roboterarm mit Saugschlauch an diese heran. Ein Unterdruck saugt den Apfel an, löst so den Stiel vom Baum und transportiert ihn zum Rückprall-System – bestehend aus Schaumstoffschichten – bevor er schließlich schonend seinen Weg zum Kistenfüller findet. „Die Schwierigkeit in der Entwicklung war weniger das Erkennen und Ansaugen der Äpfel, sondern vielmehr das anschließende schonende Abbremsen“, berichtet Dr. Ines Hanrahan, Executive Director von WTFRC. Ein spezieller Schaumstoff (sog. „memory foam“) sorgt für einen langsamen und möglichst sanften Rückprall, um die Fruchtschale vor Druckstellen und mechanischen Beschädigungen zu schützen.
 
Aktuell wird noch mindestens ein geschulter Mitarbeiter vor Ort für die Bedienung des Prototyps benötigt. In Planung sind jedoch selbststeuernde intelligente Arbeitsgruppen aus bis zu zehn Robotern, die zukünftig durch eine einzige Person beaufsichtigt und bedient werden können. Wenn alle weiteren Optimierungen abgeschlossen sind, soll der Roboter pro Stunde zwischen 1.800 und 2.000 Äpfel pflücken.
 
Schmale Baumformen sind gefragt
In semi-kommerziellen Feldversuchen im Oktober 2020 pflückte der Ernteroboter von Abundant bereits in acht Obstbaubetrieben in Washington State fünf verschiedene Sorten. Dan Steere, Firmenchef von Abundant Robotics, bezeichnet die Sortierqualität als vergleichbar mit der Handernte. Er geht davon aus, dass der Roboter 50–90 % der Äpfel in einem Kronenbereich bis 3,7 m Höhe (aktuell noch 2,1 m) am Baum ernten kann. Maßgeblich für eine gute Ernte ist der Aufbau der Krone: Exponierte Früchte kann die Interaktion aus Computerauge, Software und Roboterarm natürlich wesentlich besser erkennen, ansteuern und pflücken als Früchte im Bauminneren. Deshalb sind schmale Fruchtwände für die Roboter-Ernte am besten geeignet. Aus diesem Grund entwickeln zurzeit Wissenschaftler des Plant & Food Research im neuseeländischen Hawke’s Bay, unter dem Kürzel FOPS (Future Orchard Produktion System) speziell auf diese Technologie zugeschnittene Anbausysteme.
 
Auch wenn noch nicht absehbar ist, wann es so weit sein wird: Dan Steere hat die Vision von hunderten seiner Ernteroboter, die zukünftig rund um den Globus die Apfelernte übernehmen. „Der nächste Schritt ist der Aufbau einer ganzen Flotte – vielleicht hunderter Ernteroboter“, erklärte er gegenüber dem amerikanischen Obstbaumagazin GoodFruitGrower. Er kündigte in diesem Zusammenhang auch an, dass sein Unternehmen die Apfelernte zunächst im Lohnverfahren anbieten wolle, um die Akzeptanz der Roboter unter den Anbauern zu fördern.
 
Mechanische Finger statt Saugtechnik
Die Entwickler von FFRobotics (Fresh Fruit Robotics) aus Israel haben einen alternativen Roboter (`FFROBOT´) für die Apfelernte entwickelt (s. Foto 2).
 
Der FFROBOT pflückt die Früchte nicht mit einem, sondern mit 12 Roboterarmen, die ebenfalls über computergesteuertes Sehen zu den Früchten bewegt werden. Ein weiterer Unterschied liegt in der weniger aufwendigen Pflücktechnik: Beim FFROBOT umschließen drei mechanische „Finger“ die Frucht, ohne diese zu drücken und lösen den Stiel durch eine 45 Grad-Drehung. Die Roboterarme entlassen die Früchte dann auf elastische Transportbänder, die in einen Kistenfüller münden.
Bislang kann das System nicht zufriedenstellend während der Fahrt eingesetzt werden. Deshalb arbeitet sich der Prototyp im stabilisierten Stillstand schrittweise und beidseitig pflückend voran. Dafür wird aktuell ein Mitarbeiter vor Ort für die Steuerung des Prototyps zur Reihe benötigt.
 
Gad Kober von FFRobotics stellte Motivation, Forschung und Entwicklungen im Jahr 2019 auf der Fruit Logistica vor. Mit dem entwickelten Prototyp will das Unternehmen weltweit die Erntekosten und den Arbeitskraftbedarf in der Apfel- und Organgenernte reduzieren. Er gab die Ernteleistung des FFROBOT mit 8.000 bis 10.000 Äpfeln pro Stunde an. Damit könnten pro Tag 25–30 Erntehelfer ersetzt werden.
 
Wie auch der Prototyp von Abundant Robotics, soll ein FFROBOT bis zu 90 % der Früchte ernten können – sofern die Kronenarchitektur entsprechend angepasst wurde. In einer durchschnittlichen Erntesaison von 80 Tagen soll er damit in der Lage sein, etwa 50 Hektar Apfelanlagen zu beernten. Erntekriterien wie Deckfarbe (verschiedene Rot- und Grüntöne) sowie Fruchtgröße soll der Anbauer für jeden Erntedurchgang individuell anpassen können. Ebenso können gesammelte Erntedaten individuell je Anlage, Reihe und sogar Baum ausgewertet werden. Gad Kober prognostiziert den Anteil Früchte mit Druckstellen anhand von selbst-bonitierten Erntedurchgängen auf unter 5 %. Und ja, „Bedienung sowie Instandhaltung sollen einfach und leicht durchführbar sein“, verspricht er. Derzeit ist FFRobotics dabei, eine Möglichkeit für das Entfernen von Fruchtstielen mit dem Roboter zu entwickeln (Ernte von Zitrusfrüchten). Gespannt dürfen wir ebenfalls auf die Umsetzung der Ankündigung aus der Entwicklungsabteilung von FFRobotics sein, mit dem Roboter bald eine Fruchtausdünnung und einen Kronenschnitt durchzuführen.
 
Die Konkurrenz schläft nicht…
Einen guten visuellen Eindruck zu den vorgestellten Entwicklungen erhalten Sie durch das gegenüberstellende Video des GoodFruitGrower (s. Kasten S. 201).
 
Aber der letzte Schritt kann bekanntlich auch der Schwierigste sein. Und so ist es ein enges Rennen um die erfolgreiche Einführung eines praxistauglichen Ernteroboters. Sprecher der Firmen Abundant Robotics und FFRobotics berichteten kürzlich, dass ihre Entwicklungsschritte durch den Ausbruch der Covid-19-Pandemie teilweise erheblich verlangsamt wurden. Lockdown- und Reisebeschränkungen verzögerten oder verhinderten die Durchführung wichtiger Feldversuche. Alle Beteiligten sind jedoch zuversichtlich, die Arbeit zeitnah wieder aufnehmen zu können.
 
Das wird auch höchste Zeit! Denn das internationale Rennen um den besten Ernteroboter befindet sich auf der Zielgeraden. Im Spitzenfeld sprintet ebenfalls die Entwicklung des Startups Tevel Aerobotics Technologies aus Israel mit. Es bietet bereits in diesem Jahr für israelische Obstproduzenten die Ernte im Lohn durch Drohnen an. Die Drohnen arbeiten als Team zusammen und pflücken die Früchte einzeln auf summende Weise von den Bäumen (s. Foto 3). Das Agrartechnik-Unternehmen Kubota ist bereits von Tevel überzeugt und beteiligte sich Anfang des Jahres mit 20 Millionen Dollar an dem Startup. Unter dem auf S. 201 genannten Link kann man sich die Drohnen bei der Arbeit anschauen.
 
Was noch zu tun ist
Unzählige Arbeitsstunden, Geistesblitze und Rückschläge stecken in der Entwicklung von Ernterobotern. Nun ist es an der Zeit, die letzten Schritte der Einführung zu gehen. Ob tatsächlich bereits im kommenden Jahr Ernteroboter in den US-amerikanischen Obstanlagen eingesetzt werden können, ist von wenigen, aber wesentlichen Herausforderungen abhängig:
 
– 1. Die Abschlusstests:
Möglichst viele Unternehmen der Obstbaubranche müssen sich bereit erklären, dafür Zeit und Geld zu investieren. Nur dann können die ausstehenden letzten Verbesserungen durchgeführt werden –bei gleichzeitig sinnvoller Kostenaufteilung. Die Erfahrungen aus jeder weiteren Erntesaison sind wichtig für die Entwicklung eines praxistauglichen Serienproduktes.
 
– 2. Die Serienproduktion selbst und der Service:
Es müssen erfahrene Fertigungsfirmen des Maschinen- und Roboterbaus für die Durchführung der Serienproduktion gewonnen werden. Nur dann ist eine professionelle Fertigung zu annehmbaren Preisen und von ausgezeichneter Verarbeitungsqualität möglich. Außerdem muss für die Roboter ein Servicenetz aufgebaut werden und eine günstige Ersatzteilverfügbarkeit gegeben sein. Dieser Schritt will koordiniert und gesteuert werden. So haben sich zu diesem Zweck in diesem Frühjahr verschiedene internationale Akteure der Maschinen- und Gartenbaubranchen in internationalen Netzwerken zusammengeschlossen:
• „Orchard of the Future Collaboration”: Die Obstanlage der Zukunft. Mehr als 30 private und öffentliche Partner aus den Niederlanden und den USA arbeiten zusammen, um Technologieinnovationen für Obstbauern voranzutreiben.
 
• „Global Harvest Automation Initiative“: Diese Initiative wird von der „Western Growers Organization“ geleitet. Ihr Ziel ist es, die Ernte im gesamten Obst- und Gemüsesektor zu robotisieren und so den Bedarf an Arbeitsstunden zum Pflücken in den kommenden zehn Jahren um 50 % zu reduzieren. Dafür soll eine allgemein einsetzbare Plattform entwickelt werden, ähnlich einem standardisierten Prozessor in Computern.
 
– 3. David gegen Goliath:
Interessierte Fertigungsfirmen hinterfragen immer wieder, wie sich der Markt für Ernteroboter tatsächlich entwickeln wird. Entscheidend wird sein, ob die Einsatzmöglichkeiten für Roboter wirklich ausgereizt werden können. Ideal wäre deshalb eine Roboter-Plattform, die durch wenige Anpassungen auch für die Ernte von anderen Früchten wie Orangen, Paprika, Kiwi oder Tomaten genutzt werden kann. Für diesen Entwicklungsschritt müssen allerdings zunächst weitere Investitionen in Zeit und Geld aufgebracht werden.
 
Aber wie sollte so ein Roboter dimensioniert sein? Hierfür müssen die Einsatzmöglichen von großen und kleinen Robotern gegenübergestellt werden:
 
• Strategie „David“: Viele kleine Roboter
Kleinere Ernteroboter haben zwar eine geringere Arbeitsleistung, können aber mit Flexibilität punkten. Ein etabliertes Beispiel aus der Landwirtschaft ist der Feldroboter „OZ 440“ der französischen Firma Naïo Technologies. Anfänglich wird das Abstimmen sowie Delegieren der Ernteleistung von Roboter und Mensch herausfordernd sein, kann aber mit flexibleren Robotern eher gelingen.
 
• Strategie „Goliath“: wenige große Roboter
Schlagkraft und Effizienz können wesentliche ökonomische Faktoren für den Unternehmenserfolg sein. Nicht ohne Grund folgen dem Strukturwandel in Landwirtschaft und Gartenbau immer leistungsstärkere Maschinen. Langfristig werden insbesondere Betriebe mit großen Plantagen ihre Erntekosten durch schlagkräftige Roboter erheblich senken können.
 
– 4. Rent-a-robot:
FFRobotics und Abundand Robotics sind sich einig: Zur Markteinführung wird kein Weg am Lohnarbeitssystem vorbeiführen. Dieses Vorgehen fördert schließlich die Akzeptanz unter den Anbauern und hilft mittel- bis langfristig den Weg zu Leasing- und Kaufoptionen zu etablieren.
 
– 5. Anbausysteme:
Gad Kober von FFRobotics unterstrich im Interview, dass ohne die passende schmale Kronenerziehung die Äpfel von den Robotern schlichtweg übersehen werden. Weltweit wird schon seit Jahren mit schmalen Fruchtwänden gearbeitet, immer mit dem Ziel der Automatisierung. Somit sind immer mehr Betriebe bereits für diese Herausforderung gerüstet. Trotzdem kann es hier, ähnlich wie wir es derzeit bei der Elektrifizierung des Straßenverkehrs erleben, zum Henne-Ei-Problem kommen: Roboter sind zwar verfügbar, aber die passenden Anbausysteme fehlen. Und mit der Anlage dieser aufwendigeren Anbausysteme wird gezögert, weil für die Robotik noch vergleichsweise hohe Investitionen getätigt werden müssten.
 
– 6. Smart robot:
Sofern nicht anders programmiert, vergisst ein Ernteroboter nie. Jeder gepflückte Apfel wird in digitaler Form katalogisiert.
Diese Datensammlung bietet faszinierende Möglichkeiten aus dem Bereich des Smart Farming: Kulturmaßnahmen, Ernteprognosen, Risikoabschätzungen, Arbeitskraftbedarf und viele weitere Betriebsleiterentscheidungen könnten durch „baumgenaue“ Informationen unterstützt oder sogar abgenommen werden. Entscheidend ist hier die Kompatibilität der Soft- und Hardware, die möglichst kundenfreundlich gestaltet werden muss. Notwendig wird spätestens hier eine hinreichend sichere digitale Plattform, die betriebsrelevante Daten in Echtzeit bündelt und anwenderfreundlich aufbereitet.
 
– 7. Akzeptanz:
Anfänglich braucht es starke Nerven für die Abkehr von der Handernte – vor allem, wenn man neben einem selbstfahrenden Ernteroboter steht, während dieser mit beeindruckender Geschwindigkeit und bei gespenstischer Geräuschkulisse Früchte von den Bäumen greift oder saugt. Doch alles ist eine Frage der Gewöhnung! Automatisierte Sicherheitssysteme und geschützte Arbeitsräume haben schließlich in den letzten Jahren zur Etablierung der Roboter-Technologie in vielen Industriezweigen geführt – inklusive der Landwirtschaft und auch im Straßenverkehr. Einigen Apfelproduzenten in Washington State gelingt dies bereits heute – mit einem Zwischenschritt: Halbautomatische Ernteplattformen wie der „Bandit Express“ von Automated AG (s. Foto 4) unterstützen die Erntekräfte bei der Ernte und steigern die Effizienz erheblich.
 
Risiken und Chancen gegeneinander abwägen
Während Ernteroboter, Sensortechnik, selbstlernende Computeralgorithmen und selbstfahrende Arbeitsmaschinen im internationalen Obstanbau Einzug halten, dürfen Anbauer auch hierzulande nicht den richtigen Zeitpunkt verpassen, die neuen Technologien zu testen und einzuführen. Dazu ist es unerlässlich, die Entwicklungen genauestens zu beobachten und schließlich finanzielle Risiken und Chancen gegeneinander abzuwägen.
 
Mit den Möglichkeiten, die neue Technologien bieten, kann der allgemein nachlassenden Verfügbarkeit und den zunehmenden Kosten für Erntekräfte entgegengewirkt werden. Auch durch die derzeitigen Auswirkungen von globalen Pandemien auf die Verfügbarkeit von Saison-Arbeitskräften sehen sich die Entwickler von Ernterobotern darin bestätigt, dass ihre Technologie immer gefragter wird. Sie brennen deshalb auf eine möglichst zeitnahe Einführung ihrer – in mancher Hinsicht – übermenschlichen Erntekräfte. Eines steht spätestens heute fest: An Ernterobotern kommt langfristig kein Obstbauer vorbei!

Autoren
Björn Schmitz 
Bildungszentrum Gartenbau Essen – Fachschule für Gartenbau, Külshammerweg 1826, 45149 Essen, Tel.: 0201 87965-36, E-Mail: bjoern.schmitz@lwk.nrw.de
Dr. Ines Hanrahan 
Geschäftsführerin der Washington Tree Fruit Research Commission (WTFRC) in den USA