Wie Wissenschaftler eine Roboterhand entwickelten, um in Arkansas Brombeeren zu pflücken

Stellen Sie sich einen autonomen zweibeinigen Roboter mit zehn Armen vor, an deren Spitzen jeweils dreifingrige Silikongreifer angebracht sind, die sich ihren Weg durch Brombeerreihen bahnen, und schon haben Sie eine Vorstellung davon, was die Zukunft für Brombeerfarmen bereithalten könnte, die unter Arbeitskräftemangel leiden.

Forscher in Arkansas und Georgia haben gezeigt, dass empfindliche Frischmarktbrombeeren, die normalerweise von Menschenhand gepflückt werden, um die Qualität zu erhalten, jetzt auch von Robotern gepflückt werden können.

„Stellen Sie sich einen Roboter vor, der durch eine Brombeerfarm läuft, aber der Roboter hat zehn Arme“, sagte Renee Threlfall, Wissenschaftlerin für Lebensmittelwissenschaften an der Arkansas Agricultural Experiment Station, dem Forschungszweig der U of A System Division of Agriculture.

Threlfall und drei weitere Autoren haben sich mit der Roboterernte beschäftigt und für ihre Arbeit kürzlich den Outstanding Fruit Publication Award der American Society for Horticultural Science erhalten. Mit der Auszeichnung wurde ein Artikel über die Forschung gewürdigt, die den Grundstein für die Entwicklung einer weichen Roboterhand zur Entwicklung eines autonomen Brombeerpflückroboters gelegt hat.

Die Forschung zur Festlegung von Kraftparametern zum Pflücken von Brombeeren wurde teilweise durch ein Stipendium des U of A Chancellor's Innovation and Collaboration Fund mit Yue Chen finanziert, der zuvor Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau der U of A war. Chen ist jetzt Assistenzprofessor in den Abteilungen für biomedizinische Technik am Georgia Institute of Technology und der Emory University. Die anfängliche Forschung wurde auch durch einen Specialty Crop Block-Zuschuss des Landwirtschaftsministeriums von Arkansas unterstützt.

Andrea L. Myers war die Hauptautorin der Veröffentlichung als Doktorandin der Lebensmittelwissenschaften an der U of A. Sie arbeitete mit Threlfall zusammen, zusammen mit Chen und Anthony Gunderman, einem Doktoranden in Robotik am Institute for Robotics and Intelligent Machines der Georgia Tech. Gunderman war zuvor Doktorand im Maschinenbau an der U of A.

Das Papier aus dem Jahr 2022 mit dem Titel „Determining Hand-harvest Parameters and Postharvest Marketability Impacts of Fresh-market Blackberries to Develop a Soft-robotic Gripper for Robotic Harvesting“ wurde in der Zeitschrift HortScience veröffentlicht.

Myers sagte, der erste Schritt im Prozess dieses Projekts bestehe darin, den Kraftaufwand zu ermitteln, der erforderlich sei, um Brombeeren von Hand zu pflücken, ohne dass dabei die Früchte am wenigsten beschädigt würden. Es stellt sich heraus, dass zum Ernten einer Brombeere etwa die Hälfte von 1 Newton, einer Krafteinheit, benötigt wird. Man könne sich 1 Newton einfach als die Kraft vorstellen, die erforderlich ist, um einen kleinen Gegenstand wie einen Apfel oder einen Schokoriegel anzuheben, sagte Myers.

Um herauszufinden, wie viel Kraft nötig ist, um eine Brombeere zu pflücken und die Beere so wenig wie möglich zu beschädigen, entwickelte das Projektteam Silikon-Fingerhüllen mit biometrischen Sensoren, die die Kraft messen, die eine menschliche Hand aufwendet, um eine Brombeere zu greifen und zu ernten.

Mit dem von einem Menschen getragenen Kraftsensorgerät pflückte Myers im Jahr 2020 mehr als 2.000 Brombeeren von den kommerziellen Erzeugern Sta-N-Step Farm und Neal Family Farm in Arkansas. Die Daten zeigten, dass der Daumen die stärkste Kraft ausübte, gefolgt vom mittleren, Zeige- und Ringfinger. Es wurden vier frisch auf dem Markt in Arkansas entwickelte Sorten gepflückt: Natchez, Osage und die markenrechtlich geschützten Sorten Prime-Ark Traveler und Sweet-Ark Caddo. Die Brombeeren wurden nach 21 Tagen Kühllagerung bei 35 Grad Fahrenheit bewertet.

Die Forscher verglichen die Qualität der Brombeeren mit und ohne Kraftmessvorrichtung und die Ergebnisse zeigten, dass die Fingerhülsen keinen Einfluss auf die Beerenqualität hatten. Die Forschung zeigte auch, dass für die Ernte einer Brombeere nur drei statt vier Anhängsel nötig waren.

Die zweite Phase der Forschung wurde 2021 mit den Mitarbeitern Chen und Gunderman während ihrer Zeit an der U of A durchgeführt, wo ein dreizackiger, sehnengetriebener, weicher Robotergreifer unter Verwendung einer dicken Gitarrensaite als Sehne entwickelt wurde. Die beim Greifen, Stabilisieren und Ernten der Brombeeren mit dem Greifer aufgewendeten Kräfte verursachten nach 21-tägiger Kühllagerung keine übermäßigen Schäden.

Allerdings wiesen die mit dem Greifer im Jahr 2021 geernteten Früchte 11 % mehr Leckage und 7 % mehr rote Steinfrüchte auf – wenn sich die einzelnen runden Segmente der Brombeere von schwarz wieder rot verfärben – als von Hand geerntete Früchte. Das Projektteam veröffentlichte 2022 in IEEE Robotics and Automation Letters ein weiteres Papier mit dem Titel „Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting“, in dem die Greiferimplementierung beschrieben wird.

„Wenn Brombeeren an der Pflanze reifen, verfärben sie sich rot bis schwarz. Während oder nach der Ernte können sich Steinfrüchte an den Beeren jedoch rot verfärben, insbesondere wenn die Beere während der Ernte beschädigt wird“, sagte Threlfall. „Die rote Farbe nach der Ernte hat nichts mit der Reife zu tun, sondern eher mit der Schädigung der Zellstruktur. Das ist wichtig, weil das USDA Standards und Güteklassen für diese rote Steinfruchtumkehr hat, also wenn ein bestimmter Prozentsatz an Brombeeren in einem… Container haben eine rote Steinfruchtumkehr, sie werden abgelehnt.

Weitere Informationen: Andrea Myers et al., Determining Hand-Harvest Parameters and Postharvest Marketability Impacts of Fresh-Market Blackberries to Develop a Soft-Robotic Gripper for Robotic Harvest, HortScience (2022). DOI: 10.21273/HORTSCI16487-22

Anthony Gunderman et al., Tendon-Driven Soft Robotic Gripper for Blackberry Harvesting, IEEE Robotics and Automation Letters (2022). DOI: 10.1109/LRA.2022.3143891

Zur Verfügung gestellt von der University of Arkansas