造一座「植物工廠」,提前演練「流浪地球」的終極形態_風聞
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讓人類可以用低成本方式,隨時隨地、自動種菜,是這羣農業極客的夢想。
作者 | 黎詩韻
編輯| 靖宇
2015 年,剛剛從南京農業大學蔬菜學專業博士畢業的何立中,接到了一個「意外」的任務——給中國南極科考站「種點菜」。
作為地球上最極端的環境,南極沒有蔬菜存活的條件。但科考隊員們非常需要蔬菜,不僅僅是作為營養補給,更因為他們常年面對白茫茫的雪地,容易患上「雪盲症」,甚至產生心理疾病,而綠色蔬菜可以作為「園藝療法」,給隊員們帶來精神上的「營養」。
不過,從外地向南極運輸蔬菜成本極高,離科考站最近的國家是智利,去還得坐上軍用飛機。
有沒有可能在南極建造一個蔬菜温室,隨時給科考隊員供應新鮮蔬菜?
何立中和團隊——國家設施農業工程技術研究中心崇明基地,給出的方案是,植物工廠——利用一套智能控制系統,營造出一個可以滿足所有植物生長要素的環境,從而讓人類擺脱自然環境的限制,在任何地點、任何時候都能種植出蔬菜。
但植物工廠的意義,絕不僅是在極端條件下對人類「火星救援」式的自給自足,它更是為老百姓不限地域、不限季節地供應蔬菜,保障餐桌穩定、餐食豐富和新鮮的最佳種植方式。另外,由於全程處於實驗室環境,植物工廠的蔬菜無蟲害、無農藥,人們還可以通過控制營養液,實現蔬菜的微量元素定製,種出更高品質的蔬菜。

在植物工廠,通常35天左右,一棵生菜就能從種子長大成熟。圖中的生菜品種為「優雅」| 來源:賽事官方
向遠看,植物工廠,可能是人類農業的未來。
最近兩年,從學術界到產業界,一場針對植物工廠的研究正在悄然成風。
2 月中下旬,在位於上海崇明島的一座大型植物工廠基地裏,四支來自中國頂尖農業院校、科研機構、企業的研究團隊,正在進行一項激烈的角逐。
他們要解決的是橫亙在植物工廠面前最大的難題:如何打平收入模型,用最低的成本,種出最好、最多的蔬菜——這是打通植物工廠到人們餐桌旅程的最後一道難關。
01
頂級「農業大棚」
植物工廠最初設立,源自於 NASA(美國太空總署)在太空極端條件下種植蔬菜的需求。1991 年,參與 NASA 計劃的美國威斯康星州大學,開始以人工光(熒光燈管)嘗試做太空農業。
一個典型的現代化植物工廠,大致是這樣的:
它是一個類似集裝箱的建築物,幾乎可以建在任何地方。推開門進去,右手邊是三層或六層的種植架,每層平均分佈着近百個種植槽孔,植物就從槽孔中長出來。
無論外界四季交替、晝夜更迭,這裏永遠保持着植物最適宜的生長環境:中央空調提供温度,傳感器隨時捕捉並調整空氣中的二氧化碳濃度,水混合特定比例的營養液順着管子供給種植槽孔,架子上的 LED 燈則模擬光照均勻撒在每一片葉子上。

植物工廠種出的生菜。僅示意圖,非比賽用苗 | 來源:賽事官方
在這套工業化的種植體系下,植物以最高的效率生長着,產量也隨之暴增。陸地一年只能種植 2、3 茬蔬菜,但植物工廠一年可以種植 10、15 茬。植物工廠的產量可以達到陸地種植的 10 倍以上。
何立中和團隊就為南極科考站,建起了這樣一座 36 平米的植物工廠。使用帶來的種子,隊員可以種出生菜、上海青、韭菜、草莓、黃瓜,番茄,西瓜,辣椒等二十多種蔬菜,每週給科考隊員們供給兩至三次蔬菜。
「這是一項非常重要的技術,萬一有一天需要『流浪地球』呢?」何立中説。在崇明基地,我見到了包括他在內的四支團隊領隊。
何立中帶領的是上海農科院團隊。他本碩博期間都在研究設施農業,在上海農科院,也主要負責研究植物工廠。
從產量、穩定性、品質、就近性等層面看,植物工廠都是滿足老百姓蔬菜供應的最佳種植模式。它是「設施農業」的頂級形態。
我國設施農業的起源,要追溯到上世紀 80 年代。
那時,人們還面臨「吃菜難」的問題,蔬菜無法常年穩定地供應。為了更好地擺脱自然環境的限制,一些農民和種植户開始搭建簡陋的塑料大棚,後來又演進到日光温室、玻璃温室。
當時,中國農業大學特意開設了「農業建築環境與能源工程」專業(簡稱農建專業)。它的核心就是,用更智能化的方式改進農民的設施農業,解決老百姓的「吃菜難」問題。
截至目前,設施蔬菜已經佔到我國全國蔬菜供應量的 40% 以上。
數十年過去,這個專業吸引了農村學子鄭建鋒的目光。
鄭建鋒出生於河南周口,父母都是農民,他從小就下地幹活,種過小麥、玉米、大豆、花生等作物。父母叮囑他一定要好好學習,「以後不再務農」,但他依然熱愛農業。
2011 年高考填志願,他被現代農業的理念深深吸引了,第一志願就是中國農業大學,第一專業就是農建專業。
2021 年他以博士身份,進入農大設施農業工程重點實驗室,主要研究設施農業,包括智能温室和植物工廠等。
在崇明基地,我見到了這位 92 年的男生。他戴着一副半框眼鏡,身形瘦削、語調平緩。在實驗室,他拉起一支全員 90 後的比賽團隊,他也是四支團隊中最年輕的領隊。他説,年輕的好處是,「更專注、更重視、更投入」。

鄭建鋒和他帶領的團隊 | 來源:賽事官方
在鄭建鋒看來,我國的設施農業依然「大而不強」。其主體依然是簡陋的大棚温室、日光温室,而真正智能化的温室、以及作為設施農業「頂級形態」的植物工廠,依然較少。這和荷蘭、日本等農業現代化先進國家仍有較大差距。這也是他想要堅定投入植物工廠的原因。
02
AI 種菜
在毗鄰上海市區的崇明島,坐落着上海光明食品集團的農業基地。光明食品集團一直是上海這座特大城市主副食品的保供方。但擁有 2000 多萬人口的上海,「保供壓力」一直不小。疫情期間更是不易。這也倒逼光明食品集團開啓對植物工廠的研究和佈局。
從 2021 年年底開始,光明食品集團就組建了植物工廠的研究團隊。整個 2022 年,團隊都在對植物工廠深入調研。
2022 年,光明食品集團旗下光明母港攜手拼多多舉辦了「2022 光明多多垂直農業挑戰賽」暨「第三屆多多農研科技大賽」,這就是今年這四支隊伍比賽的背景。作為以農業為長期戰略的平台型企業,拼多多希望利用新技術推動農業的數字化發展,為農業帶來革命性的變化。
在比賽現場,四座嶄新的、佔地近十平方米的植物工廠一字排開,它們歸屬於每支團隊。和參觀者一樣,這也是四隻團隊第一次看到自己的比賽設備。控制光、温、氣、水、肥的設備和參數都被連接在雲端,在幾天的培訓和設備調試後,這些團隊將要離開崇明,遠程調控植物的生長。

本次決賽在上海崇明的光明母港垂直農業研究中心進行。圖為參賽的四座植物工廠 | 來源:賽事官方
代替人們運營這些工廠的,是雲端的人工智能(AI):
首先,人工智能系統通過二氧化碳傳感器和圖像傳感器,捕捉到植物的光合速度、生長速度,這兩個核心指標可以讓參賽團隊獲知植物此刻的真實狀態。
其次,人工智能根據這些指標判斷出植物缺乏什麼,並通過調節温、光、水、肥、氣等參數,改變植物的生長環境,讓植物更好地生長——這個瞭解植物需求、並給予植物所需的過程,被稱為「與植物對話」。而參賽團隊會全程監測、調控這個過程。
「我們參加這個比賽有一個很重要的命題,就是想驗證一下農業生產中,有多少決策可以被人工智能代替,它能在農業生產上走多遠、做多少。」極星農業的創始人徐丹説。他也是四位領隊之一,曾帶領團隊獲得上屆農研大賽冠軍(關於徐丹團隊的故事可看極客公園的詳細報道:在北京郊區,做一場最難的「實驗」)。
而他已經看到了答案。「我以前不太認為 AI 可以替代我們去做這項(農業)工作,通過這幾次比賽,我看到機器能做的真的特別多、人工智能發揮的空間無比巨大。」他説。
事實上,在給南極科考站建好植物工廠後,何立中本人並沒有去過科考站。南極出差成本太高,他只能把種菜任務交給隨行的醫生、廚師。後者毫無經驗,只在臨行前被培訓了兩天,並被告知遇到問題可以給何立中及團隊發微信求助。但即便如此,他們也成功地在南極種出了蔬菜。

何立中和他帶領的團隊 | 圖源:賽事官方
徐丹和鄭建鋒都認為,目前在農業領域,就算人工智能可以代替人做很多工作,仍很難取代人類專家。後者能提供精準的判斷和決策,而機器目前很難做到這一點。
不過,在農業領域,不是所有場景都需要專家。就像在南極科考站,人們的期待是「能種出蔬菜就行」——日常生活中,普通市民的種菜訴求也是如此。
這或許也是植物工廠最具有想象力的應用場景。
徐丹設想過這樣的一個畫面:未來在植物工廠裏,如果人們想要在特定天數之後,獲得特定數量的蔬菜,他所有的操作只需彙集成一個按鈕。當他按下按鈕之後,機器會自動播種、計算生長週期、澆水施肥、開燈等等,而到了約定的日期,這個人要做的只是去把這盤菜端上來而已。
03
科技要高,成本要低
植物工廠似乎是一個最完美的農業種植形態。但它有一個致命的缺陷,就是培養這樣一個全可控環境所需的能耗成本太高,導致它的收入模型很難打平,無法商業化落地。
鮑華是一位純工科背景的教授,他講話直接,認真傾聽時眉頭會擰在一起。他的思考極富邏輯,非常理性。作為上海交通大學綠色能源與新農村中心主任,鮑華測算的一個數據是,能耗成本大概佔植物工廠總成本的 52%(另一種説法是在 40% 至 70% 區間浮動),其中光源和空調分別佔了成本的 60% 和 35%。
這意味着種植一公斤生菜,大概要消耗近十度電,成本要十幾元。這使得本就薄利的農業種植更難以掙到錢。
能源控制正是鮑華的強項。他過去研究的方向是微納米尺度的熱量輸送和能量轉換,後者被廣泛應用於芯片等電子器件的散熱。
幾年前,他還做過一個太陽能海水淡化的項目,在無電力、無能耗的情況下,為海島供應淡水。後來,他意識到這個淡水裝置可以用來種植蔬菜,因此把它改造成了一個無能耗、自運行的蔬菜種植裝置。
這次,他希望繼續用自己的經驗,幫助植物工廠解決能耗問題。為此,他在上海交通大學內部拉起了一支工科、農科結合的團隊,參與此次農研大賽。他的目標是將產量提高 40% 以上,能耗降低 25% 以上。

圖為此次比賽使用的集裝箱植物工廠及內部基礎配套設施 | 來源:賽事官方
用工科賦能農科、用工科帶動農科,這正是他所在的上海交通大學溥淵未來技術學院設定的方向。這也是促使他從工科轉入農科的直接原因。
2021 年 8 月,上海交通大學溥淵未來技術學院正式成立。它致力於成為國際前沿的、學科交叉的教研平台。院長倪軍教授是機械製造及自動化領域的頂尖專家,曾任寧德時代首席製造官和工程製造及研發體系聯席總裁。而學院的名譽院長是寧德時代董事長兼 CEO 曾毓羣。
在管理團隊的多次探討後,他們根據人類的本質需求,確定了溥淵未來技術學院未來的兩大方向:能源和健康。
圍繞能源的產生、能源的存儲、能源的輸送、能源的使用這四個角度,學院形成了五大研究中心。在能源的使用這個角度上,只有一個研究中心,那就是綠色能源與新農村研究中心。這意味着,學院將農業視作能源最重要的應用方向。
當院長倪軍向鮑華拋出橄欖枝,邀請他成為綠色能源與新農村研究中心主任時,他思考了數月。促使他最終答應的原因是,他意識到這是一個正確的方向。
站在國家的歷史背景角度,鮑華意識到,過去農業為我國工業現代化做出了巨大的犧牲,它支撐我國從落後農業國快速轉變為工業國,但卻沒有獲得匹配的回報。小時候,鮑華的奶奶家就在農村,他看親人們在田裏辛苦地勞作,一年卻只能掙幾千塊,還不如出去務工一個月的收入。他認為,隨着目前我國工業化達到一定程度,工業將要反哺農業、城市要反哺農村。他希望參與到這個進程中去。
而他研究的能源方向,又恰恰能夠真正支持農業。在鮑華看來,農業與能源息息相關,農業生產的各個環節都要用到能源。如果看歷史週期,糧食價格和能源價格也是相關的。鮑華甚至認為,中國農業最大的問題是能源問題,如果電費能耗無法降到一定程度,會影響農業的發展。

鮑華和他帶領的團隊 | 圖源:賽事官方
這也是此次大賽評委、農學專家朱為民在思考的問題。朱為民所在的上海市農業科學院園藝所,是中國歷史最悠久的植物研究機構之一,至今已有 60 年曆史。作為園藝所的第三代所長,朱為民認為,智慧農業首先需要解決的是環境控制問題,而這背後是對能量的計算和調整。
「這不是單憑農學就能解決的事。」朱為民説。
在鮑華負責的綠色能源與新農村研究中心,其主要研究方向有兩個,一個是低碳農居,另一個就是植物工廠。鮑華説,之所以要將植物工廠作為未來農業的主方向,是因為它是一項「牽引性」的技術。這意味着它會產生技術外溢效應,甚至會溢出到大棚、田地等偏傳統的種植模式上,從而帶動整個農業的現代化發展。
他的夢想是,在未來的 5 至 10 年內,做出一個全綠電(碳排放為零)供給的植物工廠,降低能耗成本,讓植物工廠從業者能真正看到盈利的可能性。
對比前兩屆比賽,鄭建鋒覺得,這一屆農業比賽最大的特點是,它的重點不再是人工智能技術本身,而是聚焦於技術如何才能貼近實際農業生產,提高產量、實現商業化落地。
這背後是參賽各方對農業生產的理解正趨於成熟。鄭建鋒記得,當時他的團隊曾獲得第一屆比賽 AI 組第一名,但由於技術成本太高,這項技術的推廣過程遇到了一定阻力。而當時的第二名反而更能給農民帶來效益。「所以我們核心關注的應該是農業,而不是 AI。」他説。
「我們的評審分數,就看最後產量、品質和能耗之間的比。説直白一點,就看能否在產能和成本之間取得平衡。」光明母港農業事業部總監王金華説。他也是這次比賽的評委。
「因為最終的目的是讓市場能夠接受你,」王金華説,只有降低生產成本,才能擴大植物工廠的消費羣體,而這又會反過來帶動產業的發展。
04
年輕人的月亮與六便士
一個變化是,在比賽現場,年輕面孔變得越來越多。2020 年至今,拼多多已連續三年舉辦農研大賽。
據極客公園觀察,在這屆的所有參賽隊員中,大約 80% 以上都是 90 後。徐丹形容,去年和他一起參賽的隊員還是 95 後,今年就變成了 97、98 年的年輕人。通過和這些年輕人交流,極客公園發現,科技,是比賽背後真正的關鍵詞——科技改變了年輕人對農業的看法,也重塑了年輕人對農業的信念。
一直以來,提到農業,人們總會想到「面朝黃土背朝天」,是非常辛苦的工作。這也是農業院校招生困難的重要原因。
鄭建鋒 2011 年進入中國農業大學讀農學本科,他發現這個專業的同學都着急想調劑走,學院不得不出了政策,只有成績特別好才有資格轉院,「不能都走了」。而鮑華團隊的熊元科進上海交大的時候,他所在的中法學院為他提供了信息、機械、能源三個選擇,但宣講的老師從沒提到過農業。
「這怎麼辦?只能倒逼我們發展農業技術,減少人們天天呆在田裏的狀態,慢慢重建人們對農業的認知——它並沒想象中那麼落後。」王金華説。
徐丹覺得,正是通過這樣的科技比賽,學農業的年輕人開始意識到,「農業不是那麼 low 的,農業也可以很高科技,挺酷、挺好玩。這讓年輕新農人對農業的興趣更加濃郁了。」
而農業現代化藴含的前景與可能,也成為了這羣年輕人做農業的動力。
和鄭建鋒一樣,他的隊員楊瑞梅也出身農村,從小就幹過農活。在她的家鄉雲南,農民還在用牛犁地、手工施肥。學習農業之後,她驚訝於農業自動化技術的高效,希望可以用它們改造農業。
林童是徐丹團隊的成員,研究生主修計算機視覺。小時候,她看過外公種水稻,播種非常辛苦,還要小心水裏的螞蝗等蟲子。她覺得,如果能把自己所學的科技知識運用到農業領域,減輕農民的勞動,會是非常有意義的事情。

徐丹和他帶領的參賽團隊 | 來源:賽事官方
所有的參賽團隊都提到跨學科的重要性。作為一門應用學科,農業不僅需要本專業的人才,更需要計算機、工科、商科等跨學科的人才一起建設。「只有這樣,農業才能真正地現代化。」上海市農業科學院園藝所所長朱為民説。
但一直以來,朱為民看到,「學科之間的分割很厲害,彼此間的壁壘比較厚」。
通過這次比賽,他很高興地看到,「搞農業的、搞信息化的、搞能源的、搞裝備的年輕人們,都聚在一起想辦法種出更多的、更好吃的菜。」他相信等到他退休的時候,農業的學科融合,會找到答案。
這並不是一條容易的路。願意投身農業的人才太少了,農業專業的學子都難以留下來,更何況跨學科人才。
與鄭建鋒同屆,全班 27 位同學,現在只有 3 個人還在繼續從事農業。剛從上海交大農學研究生畢業的孫思捷説,他們每屆只有不到 5% 的人願意從事農業相關的工作。
核心問題還是收入。
同樣是理工科,鮑華看到,「交大學 CS(計算機科學)的學生,走路是看着天的。但是學農業,可能一進來心態就沒那麼好。」前者去大廠,年薪可以給到 70 萬以上,而後者年薪則遠遠不及。
鄭建鋒也曾體會過現實的殘酷。2015 年畢業後,他曾試着找農業相關的工作,但即便在北京這樣的城市,工資也只能給到三、四千。「除非你家裏不差錢,或者就想追求理想,但這樣的人太少了。」鮑華説。
關於如何解決這個問題,鮑華説他也沒有答案。面對結構性的困境,在整個行業商業化未完全跑通的情況下,這最終只能靠年輕人自己的選擇。
林童做出了自己的選擇。她説賺錢雖然重要,但她更希望能做自己感興趣的事情。她喜歡親近植物,和人類一樣,植物也是早晨活動、傍晚休息,作息規律,這讓她覺得自然、舒適。她覺得研究植物非常有趣,最近她讀到一篇論文,講的是科研人員長期給葡萄聽音樂,進行聲波干擾,會影響葡萄的成熟過程。她意識到,雖然和動物相比,植物是靜態的,但植物其實也有強大的生命力。
跟同屆同學相比,鄭建鋒覺得自己最大的幸運就是能做自己熱愛的事情。他最享受的時刻是看到自己種的植物不生病,蹭蹭地往上長,「就草莓的葉片特別地嫩綠,在這種(温室)密閉的空間,開滿了紅彤彤的果實,你進去之後草莓的香味撲鼻,那一瞬間你就感覺特別舒服。」他笑着説。
一位研究人工智能的年輕參賽者説,「互聯網行業會消亡,但農業將會永遠存在。」他看到的未來是,互聯網行業已經是一片紅海,但數字農業依然是一片藍海。這是他們值得投身的未來。
而他們也是這個行業的未來。
*頭圖來源:視覺中國
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極客一問
植物工廠離老百姓的餐桌還有多遠?
