Älyjuoma-automaatti 2022 -hankkeen innovaatioryhmän pohdintaa lehmien juonnista

Älyjuoma-automaatti 2022 oli EIP-rahoitteinen hanke, jossa kehitettiin edullisesti skaalattavaa tekniikkaa lehmien yksilökohtaisen juontiseurantaan käytännön tiloilla. EIP eli European Innovation Partnership -hankemuoto on kehitetty kannustamaan tutkimuslaitoksia ja alkutuotantotiloja yhteistyöhön. Alkutuotantoläheisyyden ja eri näkökulmien esilletuonnin varmistamiseksi hankkeeseen koottiin innovaatioryhmä lehmien hyvinvoinnin asiantuntijoita tutkimuslaitoksista (Hämeen ammattikorkeakoulu, Luonnonvarakeskus ja Faba osuuskunta), alkutuotannosta (maitotilat) sekä teollisuudesta (Valio Oy ja Oy Delaval Ab). Ryhmä kokoontui hankkeen aikana lähi- ja hybriditapaamisiin neljä kertaa. Ryhmässä käytyjen keskustelujen tavoitteena oli kehitettävän laitteiston tarpeen ja toimivuuden pohtiminen erityisesti käytännön näkökulmasta sekä juontiseurantaan liittyvän tiedon vaihtaminen. Kuvassa 1 Ilpo Pölönen esittelee konseptia innovaatioryhmän ensimmäisessä tapaamisessa hanketta edeltäneen virtausmittarikokeilun lähellä (Tuomi, 2023). Tähän tekstiin on koottu havaintoja innovaatioryhmän keskusteluista ja niiden merkityksestä hankkeelle.

Pohdintaa lehmien juontikäyttäytymisestä

Innovaatioryhmässä käydyissä keskusteluissa kiinnitettiin erityistä huomiota maitokarjan riittävän vedensaannin varmistamiseen ja juomakuppien ja juoma-altaiden toiminnallisuuksien eroihin. Kuvassa 2 näkyy nykyisin suositumpi juoma-allas sekä veden hydrostaattisen paineen mittaamiseen perustuva hankkeessa kehitetty laitteisto, jossa juonti tapahtuu juomakupista. Kuvan asennus ja siihen liittyvä laitteiston testi on tehty innovaatioryhmään osallistuneen maitotilan navetassa.

Juomakuppia ei välttämättä pidetty optimaalisena ratkaisuna lehmien riittävän juontitarpeen täyttämiseksi. Nykyisin navetoissa juoma-altaat ovat lähtökohtainen valinta, koska altaan iso vesimassa varmistaa lehmälle helpon vedensaannin. Aikaisemmin kun lehmät olivat vielä parsinavetoissa, juomakuppien käyttö oli tyypillisempää, koska kuppi oli pienempänä helppo asentaa jokaisen parren lähelle. Juomakupissa on läppäventtiili, jota lehmät oppivat käyttämään ja siten laskevat itse veden kuppiin juotavaksi. Läppäventtiilin käytön epäiltiin aiheuttavan eläimelle ylimääräistä vaivaa, joka muodostuisi vedensaantia rajoittavaksi tekijäksi. Lisäksi tutkimuksissa on havaittu, että lehmät valitsevat juodessaan mieluummin laajan veden pinnan (Machado Filho, 2004; Teixeira, 2006). Yksinkertaisuuden vuoksi hankkeessa päädyttiin juomakuppien käyttöön testilaitteistoissa. Monilla muilla eläimillä, kuten lihakarja ja hevoset, juomakuppi on edelleen ensisijainen vedensaantimuoto, ja siksi juomakuppien käyttö nähtiin relevanttina käyttötapana laitteiston kehittämisessä näille ryhmille. Maitokarjan yhteydessä pohdittiin usean juomakupin toisaalta mahdollisesti edesauttavan arkojen lehmien juontia. Jos juomapisteitä on useita eri puolilla navettaa, laumahierarkian alemmilla tasoilla olevat eläimet voivat vetäytyä syrjäisempiin paikkoihin juomaan.

Toisaalta lehmä on sosiaalinen eläin, joka liikkuu porukoissa juomaan. Juoma-altaiden käyttö mahdollistaa useamman eläimen yhtäaikaisen juonnin. Hankkeessa kehitetty, hydrostaattisen paineen mittaamiseen perustuva vedenkulutuksen mittausmenetelmä sinänsä on sovellettavissa juoma-altaisiinkin. Tällöin useamman eläimen yhtäaikainen juonti voitaisiin mahdollisesti yhdistää riittävällä tarkkuudella yksilökohtaiseksi. Se kuitenkin edellyttää sitä, että kaikki altaalla olevat eläimet voidaan tunnistaa. Altaissa juontimäärän mittaamisen tarkkuus hieman heikkenee, sillä painemittauksesta voidaan päätellä vain vesipatsaan korkeus. Pinta-alaltaan kuppia laajemmassa juoma-altaassa muutos korkeudessa vastaa suurempaa tilavuutta. Lisäksi altaisiin siirryttäessä tulisi ratkaista mittausantureiden kiinnitykset niin, että ne sallivat altaiden kippaamisen puhdistettaessa. Käytännössä mittaustarkkuus altaastakin voi olla riittävän hyvä, mutta tätä ei hankkeessa ehditty selvittää. Altaat ovat nykyisessä navettarakentamisessa suosittuja. Sen lisäksi, että ne koetaan eläimille mieluisimpina, niiden rakentaminen ja ylläpito on yksinkertaisempaa, sillä vesipisteitä tarvitaan vähemmän ja navettapinta-alan käyttö on tehokkaampaa. Vähimmäisvaatimus lypsylehmille on yksi juomakuppi jokaista alkavaa kymmentä lehmää kohden, ja tuetun rakentamisen edellytys on yksi juomakuppi kuutta lehmää kohden (Valtioneuvoston asetus nautojen suojelusta 592/2010 § 6; Maa- ja metsätalousministeriön asetus tuettavaa rakentamista koskevista lypsykarjarakennusten rakennusteknisistä ja toiminnallisista vaatimuksista 8/2012 § 16). Tuetun rakentamisen asetuksessa määritellään, että juoma-altaan reunaa on oltava 100 mm jokaista lehmää tai hiehoa kohden.

Juontilaitteiston tekniset vaatimukset

Hankkeen testilaitteistoissa vesi pumpattiin juomakuppiin eli läppäventtiili ei niissä ole rajoittava tekijä, mutta pumpun virtausnopeus voi olla. Innovaatioryhmän keskusteluissa todettiin, että veden virtauksen pitäisi olla vähintään 20 litraa minuutissa. Tämä huomioitiin komponenttien valinnassa, ja hankkeessa laitteiston testiversioihin valittiinkin pumppu, jonka tuotekortin mukainen virtaama ylitti 20 litraa minuutissa. Veden pumppaaminen kuppiin mahdollisesti tekee siitä miellyttävämmän käyttää eläimelle, kun läppäventtiilillä toimivan kupin käyttämiseen liittyvä eläimen oma opettelu ja vaiva poistuu.

Älyjuoma-automaatti tarvitsee toimiakseen sähkö- ja vesiliitännät, joiden rakentamista navettoihin ei koettu haasteeksi laitteiston käyttöön. Sen sijaan ympäristön pölyisyyttä ja eläinten uteliaisuutta pohdittiin usein. Komponentit pitää pystyä suojaamaan lialta, eikä niiden ylläpidosta ja puhdistamisesta saisi aiheutua ylimääräistä työtä. Kuvassa 3 näkyy yhdelle hankkeen testilaitteistolle kertyneen pölyn määrän kahdeksan kuukauden testijakson päättyessä. Erityisesti optisten mittausten käyttäminen on laitteiston pölyyntymisen vuoksi haastavaa. Tunnistusmenetelminä olisivat voineet olla eläimen tunnistaminen etäisyysmittarilla tai kasvojentunnistus kamerakuvasta. Kasvojentunnistusta on maailmalla jonkin verran käytetty, ja koneoppimisen tarvitseman aineiston voisi periaatteessa kerätä automaattisesti lypsyasemalta, jossa eläin tunnistetaan muilla menetelmillä. Joissakin tapauksissa lehmien tunnistamisessa on käytetty 3D-kameraa, joskin näiden sovelluskohteet ovat enemmän eläimen kunnon arvioinnissa kolmiulotteisesta mallista.

Vesimassan hallitseminen juontilaitteistossa

Juomakupin vesimassan hallinnassa todettiin kahdenlaisia haasteita: lehmät loiskuttivat vettä ja testilaitteiston vikatila valutti vettä hallitsemattomasti navetan lattialle kohtaan, jossa ei ollut ritiläpohjaa. Loiskuttaminen voi johtua leikkimisestä tai siitä, että vesi ei ole mieluisaa juotavaa kyseisellä hetkellä vaan esimerkiksi liian kylmää. Loiskuttamiseen vaikuttavien tekijöiden selvittäminen voisi olla mielenkiintoista, ja siihen tutkimusolosuhteissa toimisi lämpömittari ja kuvantunnistus. Leikkiminen vesialtaalla saattaa näkyä myös painemittauksen kohinana. Lattialle loiskuneella vedellä on jonkin verran vaikutusta juontimittauksen tarkkuuteen, koska laitteisto tulkitsee sen juoduksi vedeksi. Merkitys on kuitenkin todennäköisesti vähäinen, ja veden loiskuminen on estettävissä juoma-astian muotoilulla jonkin verran. Astiaan jäänyt loiskutettu vesi ei aiheuta häiriötä lopulliseen tulokseen.

Veden hallitsemattoman valumisen estämiseksi laitteistoon kehitettiin erilaisia tunnistimia, joiden avulla määrätty vesipinnan suurimman sallitun korkeuden saavuttaminen havaitaan ja venttiilit suljetaan. Erityisen ongelmalliseksi hankkeen testeissä osoittautui kalibrointiprosessin ensimmäinen versio, joka aiheutti hallitsematonta ylivuotoa.  Paineanturin lukemien säännöllinen tarkastaminen tunnetussa korkeudessa eli kalibrointi on tarpeen, jotta voidaan varmistua niiden oikeasta toiminnasta laitteiston kehitysvaiheessa. Käytössä oli paine-eroa mittaava sensori, joten kalibrointi myös korjasi ulkoisen paineen eli ilmanpaineen vaihtelun vaikutuksen. Ongelmia aiheuttaneessa ohjelmistoversiossa juomakupin pinnankorkeutta mittaavan sensorin kalibrointiin käytettiin tunnettuna pinnan korkeutena juomakupin korkeutta. Vettä laskettiin juomakuppiin, kunnes painelukema astiassa ei enää muuttunut mistä pääteltiin, että juomakupin yläreuna oli saavutettu. Tällöin kuppiin laskettu vesi valui yli lattialle, ja epäsuotuisassa tilanteessa vuoto jatkui suunniteltua pidempään ohjelmiston ja tietokantaserverin kommunikointiviiveen takia.   Juomakupin lisäanturoinnilla tunnettu korkeus saavutettiin ennen yläreunaa.

Kiitokset

Hankkeen toteuttajat kokivat innovaatioryhmän jäsenten kommentit arvokkaiksi ja innostaviksi. Innovaatioryhmän pohdinnat ja huomiot auttoivat tarkastelemaan kehitettävän laitteistokonseptin toiminnallisuuksia ja tarpeita monesta näkökulmasta. Huomioiden perusteella kehitystyötä voitiin suunnata tehokkaammin käytännön tarpeen ja toimintaympäristön kohtaamiseksi.

Älyjuoma-automaatti 2022 -hankkeen innovaatioryhmään kuuluivat toteuttajaorganisaatioista Hämeen ammattikorkeakoulusta Olli Koskela, Ilpo Pölönen, Gert Hattingh, Päivi Vartiainen ja Simo Pärssinen sekä Luonnonvarakeskuksesta Leena Tuomisto. Lisäksi mukana olivat Antti Peltola (Oy DeLaval Ab), Kaj Nyman (Valio Oy), Jukka Pösö (Faba osuuskunta), Marianne Mänki (maidontuottaja, Satulin tila) ja Carita Pura (maidontuottaja, Yrjölän tila). Erityiskiitos hankkeessa tehtyjen koemittausten mahdollistaneille Satulin ja Yrjölän tiloille sekä HAMKin Mustialan tilan henkilökunnalle. Lisäksi kiitos HAMKin Marko Rantaselle metallitöissä ja asennuksissa avustamisesta.

Älyjuoma-automaatti 2022 -hanke rahoitettiin Euroopan maaseudun kehittämisen maatalousrahastosta (Manner-Suomen maaseudun kehittämisohjelma 2014–2020 EU:n elpymisrahaston lisävarat, maaseudun innovaatioryhmät EIP). Hankkeen kotisivuilta löydät lisätietoa hankkeesta.