In-vitro-Technologie mit Epson Roboter

Als in vitro (lateinisch für „im Glas“) bezeichnet man organische Vorgänge, die, im Gegensatz zu in vivo, außerhalb eines lebenden Organismus stattfinden.

In-vitro-Techniken spielen in der Nutzpflanzenzüchtung eine wichtige Rolle, denn diese biotechnologischen Verfahren tragen dazu bei, die Effizienz einer Züchtung zu erhöhen und Pflanzen mit verbesserten Eigenschaften zu entwickeln.

Bananen sind nach Weizen, Reis und Mais weltweit die viertwichtigste Nahrungspflanze[1] und für das Jahr 2024 wird die weltweite Bananenproduktion auf etwa 150 Millionen Tonnen geschätzt[2] – Tendenz steigend. Den Löwenanteil der Produktion decken Indien und China ab.

Die Ableger einer Bananenpflanze (auch Kindel genannt) werden heute bereits vielfach mittels In-vitro-Techniken hergestellt. So werden in einem quasi sterilen Laborumfeld die Triebe in Handarbeit mit Pinzette und Skalpell abgetrennt und anschließend neu eingepflanzt. 
Bei dem geschätzten zukünftigen Bedarf gibt es bald aber selbst in Indien und China zusammen nicht genug Arbeitskräfte, um diese Aufgabe zu erledigen. Hinzu kommen die rasch ansteigenden Personalkosten in diesen Ländern und die Tatsache, dass es sehr schwierig ist, für eine entsprechend große Anzahl an Menschen ein quasi steriles Umfeld herzustellen. Die Automatisierung dieser Aufgabe wäre zwar eine sehr elegante Lösung, birgt aber enorme Herausforderungen.

Für die Bearbeitung einer Pflanze stehen der Anlage weniger als etwa 3,5 Sekunden zur Verfügung, um die Schnitte an den Trieben präzise zu definieren, die Pflanze an der richtigen Stelle zu greifen, den zuvor berechneten Weg entlangzufahren und sie anschließend wieder abzulegen. Außerdem müssen die Schnitte sehr genau ausgeführt werden und mindestens die Qualität haben, die Menschen mit einem Skalpell erreichen.

Das Automatisieren des händisch ausgeführten Schnitts war daher die größte Herausforderung bei der Realisierung des Projektes. Denn obwohl alle Pflanzen genetisch identisch sind, wachsen sie aufgrund selbst geringer Abweichungen der Umgebungsbedingungen unterschiedlich. Das bedeutet, dass sich die Form, die Wachstumsstruktur, die Anzahl der Blätter und selbst die Größe der Triebe unterscheiden können. Daher muss die Anlage selbstständig für jede Pflanze die für Maschinen schwierigen Fragen beantworten: An welcher Stelle und in welcher Orientierung soll die Pflanze gehalten werden? Kann sich der Trieb während der beschleunigten Fahrt verformen? Wie viele Schnitte soll es idealerweise geben und entlang welchen Pfads sollen sie geführt werden? Und in welcher Reihenfolge müssen sie angefahren werden?

Im Schnittbereich wird mit einem stationären Laserstrahl gearbeitet, durch den der Pflanzentrieb mittels eines Epson SCARA Roboters entlang der von einer KI berechneten Trajektorie geführt wird. Dabei muss der Roboter die Pflanze mit einer Abweichung von weniger als 0,1 mm zum Sollweg führen.

Verschiedene Versuche mit unterschiedlichen Komponenten ergaben, dass sich für das Pflanzenhandling die SCARAs der Firma Epson besonders gut eignen. Sie sind schnell, präzise und, verglichen mit ihrer Reichweite und Nutzlast, sehr kompakt aufgebaut. Dazu kommt das große Portfolio an verfügbaren Maschinen von Epson, sodass sich die Auswahl des Roboters an den Leistungsmerkmalen der Anlage orientiert und nicht umgekehrt.

Beschreibung der einzelnen Schritte innerhalb der Anlage:

• Die Pflanzen erreichen in einem verschlossenen Kunststoffbehälter die Anlage. Außerdem wird den verschlossenen Zielbehältern eine Nährlösung zugeführt.
• Die Behälter mit den Pflanzen werden in einem geschützten, quasi sterilen Bereich der Maschine geöffnet.
• Die Pflanzen werden entnommen, indem ein Stereokamerasystem die erwünschte Pose an die Robotersteuerung übergibt.
• Ein weiteres Stereokamerasystem ermittelt die Schnitt-Trajektorien und übergibt sie an die Robotersteuerung.
• Der Roboter führt die Pflanze durch den stationären Laserstrahl.
• Die geschnittenen Pflanzenteile werden auf ein Förderband gelegt.
• Die Pflanzenteile werden in einer KI-berechneten Pose aufgenommen und in die Nährlösung gesteckt. Ein Kamerasystem überprüft den Vorgang.

Weitere Informationen zu den Epson Automatisierungslösungen

[1] Bananenmarkt – Größe, Wert und Nachfrage

[2] Banana production, 2022