人類文明

造一座「植物工厂」,提前演练「流浪地球」的终极形态

2015 年,刚刚从南京农业大学蔬菜学专业博士毕业的何立中,接到了一个「意外」的任务——给中国南极科考站「种点菜」。

作为地球上最极端的环境,南极没有蔬菜存活的条件。但科考队员们非常需要蔬菜,不仅仅是作为营养补给,更因为他们常年面对白茫茫的雪地,容易患上「雪盲症」,甚至产生心理疾病,而绿色蔬菜可以作为「园艺疗法」,给队员们带来精神上的「营养」。

不过,从外地向南极运输蔬菜成本极高,离科考站最近的国家是智利,去还得坐上军用飞机。

有没有可能在南极建造一个蔬菜温室,随时给科考队员供应新鲜蔬菜?

何立中和团队——国家设施农业工程技术研究中心崇明基地,给出的方案是,植物工厂——利用一套智能控制系统,营造出一个可以满足所有植物生长要素的环境,从而让人类摆脱自然环境的限制,在任何地点、任何时候都能种植出蔬菜。

但植物工厂的意义,绝不仅是在极端条件下对人类「火星救援」式的自给自足,它更是为老百姓不限地域、不限季节地供应蔬菜,保障餐桌稳定、餐食丰富和新鲜的最佳种植方式。另外,由于全程处于实验室环境,植物工厂的蔬菜无虫害、无农药,人们还可以通过控制营养液,实现蔬菜的微量元素定制,种出更高品质的蔬菜。

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在植物工厂,通常35天左右,一棵生菜就能从种子长大成熟。图中的生菜品种为「优雅」| 来源:赛事官方

向远看,植物工厂,可能是人类农业的未来。

最近两年,从学术界到产业界,一场针对植物工厂的研究正在悄然成风。

2 月中下旬,在位于上海崇明岛的一座大型植物工厂基地里,四支来自中国顶尖农业院校、科研机构、企业的研究团队,正在进行一项激烈的角逐。

他们要解决的是横亘在植物工厂面前最大的难题:如何打平收入模型,用最低的成本,种出最好、最多的蔬菜——这是打通植物工厂到人们餐桌旅程的最后一道难关。

01

顶级「农业大棚」

植物工厂最初设立,源自于 NASA(美国太空总署)在太空极端条件下种植蔬菜的需求。1991 年,参与 NASA 计划的美国威斯康星州大学,开始以人工光(荧光灯管)尝试做太空农业。

一个典型的现代化植物工厂,大致是这样的:

它是一个类似集装箱的建筑物,几乎可以建在任何地方。推开门进去,右手边是三层或六层的种植架,每层平均分布着近百个种植槽孔,植物就从槽孔中长出来。

无论外界四季交替、昼夜更迭,这里永远保持着植物最适宜的生长环境:中央空调提供温度,传感器随时捕捉并调整空气中的二氧化碳浓度,水混合特定比例的营养液顺着管子供给种植槽孔,架子上的 LED 灯则模拟光照均匀撒在每一片叶子上。

植物工厂种出的生菜。仅示意图,非比赛用苗 | 来源:赛事官方

在这套工业化的种植体系下,植物以最高的效率生长着,产量也随之暴增。陆地一年只能种植 2、3 茬蔬菜,但植物工厂一年可以种植 10、15 茬。植物工厂的产量可以达到陆地种植的 10 倍以上。

何立中和团队就为南极科考站,建起了这样一座 36 平米的植物工厂。使用带来的种子,队员可以种出生菜、上海青、韭菜、草莓、黄瓜,番茄,西瓜,辣椒等二十多种蔬菜,每周给科考队员们供给两至三次蔬菜。

「这是一项非常重要的技术,万一有一天需要『流浪地球』呢?」何立中说。在崇明基地,我见到了包括他在内的四支团队领队。

何立中带领的是上海农科院团队。他本硕博期间都在研究设施农业,在上海农科院,也主要负责研究植物工厂。

从产量、稳定性、品质、就近性等层面看,植物工厂都是满足老百姓蔬菜供应的最佳种植模式。它是「设施农业」的顶级形态。

我国设施农业的起源,要追溯到上世纪 80 年代。

那时,人们还面临「吃菜难」的问题,蔬菜无法常年稳定地供应。为了更好地摆脱自然环境的限制,一些农民和种植户开始搭建简陋的塑料大棚,后来又演进到日光温室、玻璃温室。

当时,中国农业大学特意开设了「农业建筑环境与能源工程」专业(简称农建专业)。它的核心就是,用更智能化的方式改进农民的设施农业,解决老百姓的「吃菜难」问题。

截至目前,设施蔬菜已经占到我国全国蔬菜供应量的 40% 以上。

数十年过去,这个专业吸引了农村学子郑建锋的目光。

郑建锋出生于河南周口,父母都是农民,他从小就下地干活,种过小麦、玉米、大豆、花生等作物。父母叮嘱他一定要好好学习,「以后不再务农」,但他依然热爱农业。

2011 年高考填志愿,他被现代农业的理念深深吸引了,第一志愿就是中国农业大学,第一专业就是农建专业。

2021 年他以博士身份,进入农大设施农业工程重点实验室,主要研究设施农业,包括智能温室和植物工厂等。

在崇明基地,我见到了这位 92 年的男生。他戴着一副半框眼镜,身形瘦削、语调平缓。在实验室,他拉起一支全员 90 后的比赛团队,他也是四支团队中最年轻的领队。他说,年轻的好处是,「更专注、更重视、更投入」。

郑建锋和他带领的团队 | 来源:赛事官方

在郑建锋看来,我国的设施农业依然「大而不强」。其主体依然是简陋的大棚温室、日光温室,而真正智能化的温室、以及作为设施农业「顶级形态」的植物工厂,依然较少。这和荷兰、日本等农业现代化先进国家仍有较大差距。这也是他想要坚定投入植物工厂的原因。

02

AI 种菜

在毗邻上海市区的崇明岛,坐落着上海光明食品集团的农业基地。光明食品集团一直是上海这座特大城市主副食品的保供方。但拥有 2000 多万人口的上海,「保供压力」一直不小。疫情期间更是不易。这也倒逼光明食品集团开启对植物工厂的研究和布局。

从 2021 年年底开始,光明食品集团就组建了植物工厂的研究团队。整个 2022 年,团队都在对植物工厂深入调研。

2022 年,光明食品集团旗下光明母港携手拼多多举办了「2022 光明多多垂直农业挑战赛」暨「第三届多多农研科技大赛」,这就是今年这四支队伍比赛的背景。作为以农业为长期战略的平台型企业,拼多多希望利用新技术推动农业的数字化发展,为农业带来革命性的变化。

在比赛现场,四座崭新的、占地近十平方米的植物工厂一字排开,它们归属于每支团队。和参观者一样,这也是四只团队第一次看到自己的比赛设备。控制光、温、气、水、肥的设备和参数都被连接在云端,在几天的培训和设备调试后,这些团队将要离开崇明,远程调控植物的生长。

本次决赛在上海崇明的光明母港垂直农业研究中心进行。图为参赛的四座植物工厂 | 来源:赛事官方

代替人们运营这些工厂的,是云端的人工智能(AI):

首先,人工智能系统通过二氧化碳传感器和图像传感器,捕捉到植物的光合速度、生长速度,这两个核心指标可以让参赛团队获知植物此刻的真实状态。

其次,人工智能根据这些指标判断出植物缺乏什么,并通过调节温、光、水、肥、气等参数,改变植物的生长环境,让植物更好地生长——这个了解植物需求、并给予植物所需的过程,被称为「与植物对话」。而参赛团队会全程监测、调控这个过程。

「我们参加这个比赛有一个很重要的命题,就是想验证一下农业生产中,有多少决策可以被人工智能代替,它能在农业生产上走多远、做多少。」极星农业的创始人徐丹说。他也是四位领队之一,曾带领团队获得上届农研大赛冠军(关于徐丹团队的故事可看极客公园的详细报道:在北京郊区,做一场最难的「实验」)。

而他已经看到了答案。「我以前不太认为 AI 可以替代我们去做这项(农业)工作,通过这几次比赛,我看到机器能做的真的特别多、人工智能发挥的空间无比巨大。」他说。

事实上,在给南极科考站建好植物工厂后,何立中本人并没有去过科考站。南极出差成本太高,他只能把种菜任务交给随行的医生、厨师。后者毫无经验,只在临行前被培训了两天,并被告知遇到问题可以给何立中及团队发微信求助。但即便如此,他们也成功地在南极种出了蔬菜。

何立中和他带领的团队 | 图源:赛事官方

徐丹和郑建锋都认为,目前在农业领域,就算人工智能可以代替人做很多工作,仍很难取代人类专家。后者能提供精准的判断和决策,而机器目前很难做到这一点。

不过,在农业领域,不是所有场景都需要专家。就像在南极科考站,人们的期待是「能种出蔬菜就行」——日常生活中,普通市民的种菜诉求也是如此。

这或许也是植物工厂最具有想象力的应用场景。

徐丹设想过这样的一个画面:未来在植物工厂里,如果人们想要在特定天数之后,获得特定数量的蔬菜,他所有的操作只需汇集成一个按钮。当他按下按钮之后,机器会自动播种、计算生长周期、浇水施肥、开灯等等,而到了约定的日期,这个人要做的只是去把这盘菜端上来而已。

03

科技要高,成本要低

植物工厂似乎是一个最完美的农业种植形态。但它有一个致命的缺陷,就是培养这样一个全可控环境所需的能耗成本太高,导致它的收入模型很难打平,无法商业化落地。

鲍华是一位纯工科背景的教授,他讲话直接,认真倾听时眉头会拧在一起。他的思考极富逻辑,非常理性。作为上海交通大学绿色能源与新农村中心主任,鲍华测算的一个数据是,能耗成本大概占植物工厂总成本的 52%(另一种说法是在 40% 至 70% 区间浮动),其中光源和空调分别占了成本的 60% 和 35%。

这意味着种植一公斤生菜,大概要消耗近十度电,成本要十几元。这使得本就薄利的农业种植更难以挣到钱。

能源控制正是鲍华的强项。他过去研究的方向是微纳米尺度的热量输送和能量转换,后者被广泛应用于芯片等电子器件的散热。

几年前,他还做过一个太阳能海水淡化的项目,在无电力、无能耗的情况下,为海岛供应淡水。后来,他意识到这个淡水装置可以用来种植蔬菜,因此把它改造成了一个无能耗、自运行的蔬菜种植装置。

这次,他希望继续用自己的经验,帮助植物工厂解决能耗问题。为此,他在上海交通大学内部拉起了一支工科、农科结合的团队,参与此次农研大赛。他的目标是将产量提高 40% 以上,能耗降低 25% 以上。

图为此次比赛使用的集装箱植物工厂及内部基础配套设施 | 来源:赛事官方

用工科赋能农科、用工科带动农科,这正是他所在的上海交通大学溥渊未来技术学院设定的方向。这也是促使他从工科转入农科的直接原因。

2021 年 8 月,上海交通大学溥渊未来技术学院正式成立。它致力于成为国际前沿的、学科交叉的教研平台。院长倪军教授是机械制造及自动化领域的顶尖专家,曾任宁德时代首席制造官和工程制造及研发体系联席总裁。而学院的名誉院长是宁德时代董事长兼 CEO 曾毓群。

在管理团队的多次探讨后,他们根据人类的本质需求,确定了溥渊未来技术学院未来的两大方向:能源和健康。

围绕能源的产生、能源的存储、能源的输送、能源的使用这四个角度,学院形成了五大研究中心。在能源的使用这个角度上,只有一个研究中心,那就是绿色能源与新农村研究中心。这意味着,学院将农业视作能源最重要的应用方向。

当院长倪军向鲍华抛出橄榄枝,邀请他成为绿色能源与新农村研究中心主任时,他思考了数月。促使他最终答应的原因是,他意识到这是一个正确的方向。

站在国家的历史背景角度,鲍华意识到,过去农业为我国工业现代化做出了巨大的牺牲,它支撑我国从落后农业国快速转变为工业国,但却没有获得匹配的回报。小时候,鲍华的奶奶家就在农村,他看亲人们在田里辛苦地劳作,一年却只能挣几千块,还不如出去务工一个月的收入。他认为,随着目前我国工业化达到一定程度,工业将要反哺农业、城市要反哺农村。他希望参与到这个进程中去。

而他研究的能源方向,又恰恰能够真正支持农业。在鲍华看来,农业与能源息息相关,农业生产的各个环节都要用到能源。如果看历史周期,粮食价格和能源价格也是相关的。鲍华甚至认为,中国农业最大的问题是能源问题,如果电费能耗无法降到一定程度,会影响农业的发展。

鲍华和他带领的团队 | 图源:赛事官方

这也是此次大赛评委、农学专家朱为民在思考的问题。朱为民所在的上海市农业科学院园艺所,是中国历史最悠久的植物研究机构之一,至今已有 60 年历史。作为园艺所的第三代所长,朱为民认为,智慧农业首先需要解决的是环境控制问题,而这背后是对能量的计算和调整。

「这不是单凭农学就能解决的事。」朱为民说。

在鲍华负责的绿色能源与新农村研究中心,其主要研究方向有两个,一个是低碳农居,另一个就是植物工厂。鲍华说,之所以要将植物工厂作为未来农业的主方向,是因为它是一项「牵引性」的技术。这意味着它会产生技术外溢效应,甚至会溢出到大棚、田地等偏传统的种植模式上,从而带动整个农业的现代化发展。

他的梦想是,在未来的 5 至 10 年内,做出一个全绿电(碳排放为零)供给的植物工厂,降低能耗成本,让植物工厂从业者能真正看到盈利的可能性。

对比前两届比赛,郑建锋觉得,这一届农业比赛最大的特点是,它的重点不再是人工智能技术本身,而是聚焦于技术如何才能贴近实际农业生产,提高产量、实现商业化落地。

这背后是参赛各方对农业生产的理解正趋于成熟。郑建锋记得,当时他的团队曾获得第一届比赛 AI 组第一名,但由于技术成本太高,这项技术的推广过程遇到了一定阻力。而当时的第二名反而更能给农民带来效益。「所以我们核心关注的应该是农业,而不是 AI。」他说。

「我们的评审分数,就看最后产量、品质和能耗之间的比。说直白一点,就看能否在产能和成本之间取得平衡。」光明母港农业事业部总监王金华说。他也是这次比赛的评委。

「因为最终的目的是让市场能够接受你,」王金华说,只有降低生产成本,才能扩大植物工厂的消费群体,而这又会反过来带动产业的发展。

04

年轻人的月亮与六便士

一个变化是,在比赛现场,年轻面孔变得越来越多。2020 年至今,拼多多已连续三年举办农研大赛。

据极客公园观察,在这届的所有参赛队员中,大约 80% 以上都是 90 后。徐丹形容,去年和他一起参赛的队员还是 95 后,今年就变成了 97、98 年的年轻人。通过和这些年轻人交流,极客公园发现,科技,是比赛背后真正的关键词——科技改变了年轻人对农业的看法,也重塑了年轻人对农业的信念。

一直以来,提到农业,人们总会想到「面朝黄土背朝天」,是非常辛苦的工作。这也是农业院校招生困难的重要原因。

郑建锋 2011 年进入中国农业大学读农学本科,他发现这个专业的同学都着急想调剂走,学院不得不出了政策,只有成绩特别好才有资格转院,「不能都走了」。而鲍华团队的熊元科进上海交大的时候,他所在的中法学院为他提供了信息、机械、能源三个选择,但宣讲的老师从没提到过农业。

「这怎么办?只能倒逼我们发展农业技术,减少人们天天呆在田里的状态,慢慢重建人们对农业的认知——它并没想象中那么落后。」王金华说。

徐丹觉得,正是通过这样的科技比赛,学农业的年轻人开始意识到,「农业不是那么 low 的,农业也可以很高科技,挺酷、挺好玩。这让年轻新农人对农业的兴趣更加浓郁了。」

而农业现代化蕴含的前景与可能,也成为了这群年轻人做农业的动力。

和郑建锋一样,他的队员杨瑞梅也出身农村,从小就干过农活。在她的家乡云南,农民还在用牛犁地、手工施肥。学习农业之后,她惊讶于农业自动化技术的高效,希望可以用它们改造农业。

林童是徐丹团队的成员,研究生主修计算机视觉。小时候,她看过外公种水稻,播种非常辛苦,还要小心水里的蚂蝗等虫子。她觉得,如果能把自己所学的科技知识运用到农业领域,减轻农民的劳动,会是非常有意义的事情。

徐丹和他带领的参赛团队 | 来源:赛事官方

所有的参赛团队都提到跨学科的重要性。作为一门应用学科,农业不仅需要本专业的人才,更需要计算机、工科、商科等跨学科的人才一起建设。「只有这样,农业才能真正地现代化。」上海市农业科学院园艺所所长朱为民说。

但一直以来,朱为民看到,「学科之间的分割很厉害,彼此间的壁垒比较厚」。

通过这次比赛,他很高兴地看到,「搞农业的、搞信息化的、搞能源的、搞装备的年轻人们,都聚在一起想办法种出更多的、更好吃的菜。」他相信等到他退休的时候,农业的学科融合,会找到答案。

这并不是一条容易的路。愿意投身农业的人才太少了,农业专业的学子都难以留下来,更何况跨学科人才。

与郑建锋同届,全班 27 位同学,现在只有 3 个人还在继续从事农业。刚从上海交大农学研究生毕业的孙思捷说,他们每届只有不到 5% 的人愿意从事农业相关的工作。

核心问题还是收入。

同样是理工科,鲍华看到,「交大学 CS(计算机科学)的学生,走路是看着天的。但是学农业,可能一进来心态就没那么好。」前者去大厂,年薪可以给到 70 万以上,而后者年薪则远远不及。

郑建锋也曾体会过现实的残酷。2015 年毕业后,他曾试着找农业相关的工作,但即便在北京这样的城市,工资也只能给到三、四千。「除非你家里不差钱,或者就想追求理想,但这样的人太少了。」鲍华说。

关于如何解决这个问题,鲍华说他也没有答案。面对结构性的困境,在整个行业商业化未完全跑通的情况下,这最终只能靠年轻人自己的选择。

林童做出了自己的选择。她说赚钱虽然重要,但她更希望能做自己感兴趣的事情。她喜欢亲近植物,和人类一样,植物也是早晨活动、傍晚休息,作息规律,这让她觉得自然、舒适。她觉得研究植物非常有趣,最近她读到一篇论文,讲的是科研人员长期给葡萄听音乐,进行声波干扰,会影响葡萄的成熟过程。她意识到,虽然和动物相比,植物是静态的,但植物其实也有强大的生命力。

跟同届同学相比,郑建锋觉得自己最大的幸运就是能做自己热爱的事情。他最享受的时刻是看到自己种的植物不生病,蹭蹭地往上长,「就草莓的叶片特别地嫩绿,在这种(温室)密闭的空间,开满了红彤彤的果实,你进去之后草莓的香味扑鼻,那一瞬间你就感觉特别舒服。」他笑着说。

一位研究人工智能的年轻参赛者说,「互联网行业会消亡,但农业将会永远存在。」他看到的未来是,互联网行业已经是一片红海,但数字农业依然是一片蓝海。这是他们值得投身的未来。

而他们也是这个行业的未来。

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