Nachhaltigkeit

AgroPad: Wenn die KI der Krume auf den Grund geht

KI-gestützte Technologie wird zukünftig Landwirten helfen, die Qualität ihrer Böden und ihres Grundwassers zu schützen und zu verbessern.

Der Hitzesommer 2018 hat es gezeigt: Lebensmittel sind ein kostbares Gut. Wird das Futter knapp, steigen die Milchpreise, Kartoffelpflanzen verdorren oder Knollen bleiben klein – sehr zum Schrecken von Pommes-Frittes-Liebhabern, deren Leibspeise kürzer werden könnte, weil die übergroßen Knollen, die zur Herstellung benötigt werden, dieses Jahr eine Rarität darstellen.

Aber auch abseits des Klimawandels müssen Landwirte – gerade in Schwellen- und Entwicklungsländern – ständig die Qualität ihrer Böden und des Grundwassers im Auge behalten, um ihre Ernten zu sichern.

Die Landwirtschaft ist heute weltweit für mehr als 70 Prozent des jährlichen Wasserverbrauchs verantwortlich. Da kleine Höfe fast 80 Prozent der Lebensmittel in und für Entwicklungsländer produzieren, ist es entscheidend, Qualität und Sicherheit der Wasserversorgung sicherzustellen. Die Umweltanalytik in der Landwirtschaft stützt sich oft auf teure und zeitaufwändige Labortests, die weit weg vom Betrieb durchgeführt werden. Infolgedessen sind die Daten chemischer Analysen schnell veraltet und auf eine kleine Anzahl von Proben beschränkt.

Ein IBM Forschungsteam aus Brasilien machte sich daran, einen Weg zu finden, Boden- und Wasseruntersuchungen zu vereinfachen und für Kleinbauern erschwinglich zu machen. Der Prototyp namens AgroPad, ermöglicht die chemische Analyse einer Boden- oder Wasserprobe vor Ort in Echtzeit mittels KI.

Wie funktioniert das Ganze?

Ein Tropfen Wasser oder eine kleine Bodenprobe werden auf das AgroPad gegeben – ein Gerät auf Papierbasis und in etwa so groß wie eine Visitenkarte. Ein so genannter Microfluidics-Chip im Inneren der Karte führt vor Ort eine chemische Analyse der Probe durch und liefert Ergebnisse in weniger als zehn Sekunden.

Fünf Kreise auf der Rückseite der Karte liefern farbliche Testergebnisse, wobei die Farbe jedes Kreises die Menge einer bestimmten Chemikalie in der Probe darstellt. Mit dem Smartphone fotografiert der Landwirt das AgroPad und die zugehörige App „XY“ liefert sofort ein chemisches Testergebnis.

AgroPad: Datenanalyse vor Ort

Dieser „KI on the edge”-Computing-Ansatz verwendet Algorithmen des maschinellen Lernens und der maschinellen Bildverarbeitung, um die gemessene Farbzusammensetzung und -intensität in Konzentrationswerte von Chemikalien in der Probe zu übersetzen. Diese Auswertung ist wesentlich zuverlässiger als das eigenständige Ablesen des Farbspektrums.  Testdaten können gleichzeitig auf eine Cloud-Computing-Plattform gestreamt und mit einem digitalen Tag versehen werden. Damit lassen sich Zeit, Ort und Ergebnisse der chemischen Analyse eindeutig identifizieren. Mit Hilfe einer Cloud-Plattform können Millionen von Einzeltests, die zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten durchgeführt wurden, verwaltet und integriert werden. Das ist insbesondere wichtig, um beispielsweise die Veränderung der Düngemittelkonzentration in einer bestimmten Region das ganze Jahr über zu überwachen.

Unser IBM Research-Team arbeitet derzeit an einem Prototyp mit fünf Parametern für Boden- und Wassertests. So können wir den pH-Wert, Stickstoffdioxid, Aluminium, Magnesium und Chlor in den Proben bestimmen. Gleichzeitig erweitert das Team kontinuierlich die Bibliothek der für den Einsatz verfügbaren chemischen Indikatoren., damit jedes AgroPad auf die Bedürfnisse des einzelnen Benutzers zugeschnitten werden kann.

Die papierbasierten Tests können auch von Laien zuverlässig durchgeführt werden. Neben niedrigen Kosten, der Massenproduktion des papierbasierten Geräts und der groß angelegten Bereitstellung durch mobile und cloudbasierte Technologien könnte der explorative Prototyp die digitale Landwirtschaft und Agraranalytik revolutionieren.

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