造一座「植物工廠」，提前演練「流浪地球」的終極形態_風聞

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

本文為極客公園原創文章，轉載請聯繫極客君微信 geekparkGO

極客一問

植物工廠離老百姓的餐桌還有多遠？