Innovative Product Development for Sustainable Agriculture In Controlled Environment: 3D-Printed Substrates and Camera Vision-Enhanced Growth Monitoring

Abstract

Denne masteroppgaven utforsker anvendelsen av produktutviklingsmetoder for å fremme innovasjon innen plantekultivering, spesielt for romapplikasjoner og langvarige romoppdrag. Forskningen fokuserer på to hovedområder: utviklingen av gjenbrukbare og bærekraftige substrater gjennom 3D-printing og implementeringen av sanntidsovervåking av plantevekst ved hjelp av datamaskinsyn. Ved å utnytte iterative prosesser med behovsidentifisering, prototyping og testing, tar studien sikte på å adressere de unike utfordringene innen romjordbruk, som begrensninger i mikrogravitasjon, begrensede ressurser og behovet for høy pålitelighet. Disse innovasjonene vurderes også for deres potensielle fordeler for jordbruk på jorden, og tilbyr bredere anvendelser for bærekraftig jordbruk.

Nøkkelaktiviteter i denne forskningen inkluderte omfattende besøk til ulike gårder og forskningsanlegg, som ga uvurderlige innsikter i dagens toppmoderne teknologier og spesifikke krav til romjordbruk. Disse besøkene muliggjorde en dyp forståelse av de praktiske utfordringene og mulighetene innen hydroponisk kultivering, spesielt i kontrollerte miljøer. Prosjektet identifiserte kritiske hull i eksisterende hydroponiske dyrkingspraksiser, som behovet for effektive substratmaterialer som kan gjenbrukes og gi konsistent støtte for plantevekst under varierende forhold.

Innovative løsninger foreslått av denne forskningen inkluderer utviklingen av et gjenbrukbart 3D-printet substrat designet for å optimalisere vannretensjon, næringslevering og rotstøtte, skreddersydd for de unike forholdene i rommet. I tillegg ble flere programvare- og maskinvareoppsett utviklet for å muliggjøre sanntidsovervåking av plantevekst, ved bruk av avanserte datamaskinsynsteknikker. Disse systemene tar sikte på å forbedre presisjonen i vekstsporing og tidlig oppdagelse av potensielle problemer, og dermed forbedre generell plantehelse og avkastning.

Funnene i denne studien antyder at bruk av produktutviklingsteknikker kan bidra betydelig til fremskritt innen landbruksteknologier for romoppdrag. Forskningen understreker viktigheten av tverrfaglig samarbeid, som integrerer ekspertise fra andre felt. Videre fremhever studien nødvendigheten av kontinuerlig innovasjon for å utvikle effektive og bærekraftige systemer for plantevekst i kontrollerte miljøer. Konklusjonene fra denne forskningen gir et robust grunnlag for fremtidige studier og utviklingsinitiativer innen både rom- og terrestrisk jordbruk, og baner vei for mer motstandsdyktige og bærekraftige jordbrukspraksiser.

This master thesis explores the application of product development methods to enhance innovation in plant cultivation, particularly for space applications and long-term space missions. The research is focused on two main areas: the development of reusable and sustainable substrates through 3D printing and the implementation of real-time plant growth monitoring using computer vision. By leveraging iterative processes of need-finding, prototyping, and testing, the study aims to address the unique challenges of space agriculture, such as the constraints of microgravity, limited resources, and the necessity for high reliability. These innovations are also considered for their potential benefits to terrestrial farming, offering broader applications for sustainable agriculture.

Key activities undertaken in this research included comprehensive visits to various farms and research facilities, which provided invaluable insights into the current state-of-the-art technologies and specific requirements for space agriculture. These visits facilitated a deep understanding of the practical challenges and opportunities in hydroponic cultivation, particularly in controlled environments. The project identified critical gaps in existing hydroponic cultivation practices, such as the need for efficient substrate materials that can be reused and provide consistent support for plant growth under varying conditions.

Innovative solutions proposed by this research include the development of a reusable 3D-printed substrate designed to optimize water retention, nutrient delivery, and root support, tailored for the unique conditions of space. Additionally, several software and hardware setups were developed to facilitate real-time monitoring of plant growth, utilizing advanced computer vision techniques. These systems aim to enhance the precision of growth tracking and the early detection of potential issues, thereby improving overall plant health and yield.

The findings of this study suggest that employing product development techniques can significantly contribute to the advancement of agricultural technologies for space missions. The research underscores the importance of cross-functional collaboration, integrating expertise from other fields. Furthermore, the study highlights the necessity for continuous innovation to develop efficient and sustainable systems for plant growth in controlled environments. The conclusions drawn from this research provide a robust foundation for future studies and development initiatives in both space and terrestrial agriculture, paving the way for more resilient and sustainable agricultural practices.