用AI種菜的農業科學家們，試圖發起一場產業革命_風聞

科技創新不止星辰大海，也在田間地頭。

作者 | 黎詩韻

編輯| 鄭玄****

上海崇明島，夏日的陽光透過玻璃屋頂，灑向一座龐大的「植物工廠」。工廠裏的黃瓜、茄子、甜瓜、辣椒等作物都被日光充分照射，工廠內部也因此變得熾熱。上午 9 點，汗流浹背的工人們決定收工。工廠科研人員之一、來自上海農業科學院「植物工廠」團隊的丁小濤博士，正站在室外尋找片刻清涼。

這是上海農業科學院下屬的設施農業崇明基地，富有未來感的「植物工廠」坐落其中——後者用一套智能控制系統，打造出了一個滿足植物生長所需全部營養要素（光、温、水、肥、氣等）的環境。它使農業種植完全擺脱了大自然的限制。

在這裏，人類可以自主調控植物的生長環境，讓植物得到最佳的生長狀態。從每一種營養元素入手，一點點將植物的產量、品質推至新高點。

這勾勒出了發展「植物工廠」的意義：站在科技想象力上，它既能讓人類擺脱自然條件限制、在火星、南極、遠洋等極端環境實現蔬菜「自由」；站在現實民生上，它的集約化、全綠色種植方式，又能幫助我國應對耕地等資源的緊張，讓老百姓一年四季可以吃到超高品質的蔬菜。

但「植物工廠」的優點，一直以來也是它的致命缺點——打造這樣一整套智能化種植系統的成本太高，使其難以商業化落地，只能止步於航空航天、極地科考等非民用的應用場景。

近兩年，「植物工廠」的民用化被一羣科學家提升了日程。來自全國各頂尖機構的數十位農業科研學者，決定一起為產業「想辦法」。他們思考的是：應該如何通過控制植物生長環境，以最低的生產成本、獲取植物的最高生長收益（產量+品質），從而打破「植物工廠」入不敷出的現狀。

他們過往積累的農業種植經驗、以及包括 AI 在內的前沿數字化技術，將幫助他們一起應對這場挑戰。

上海農科院下屬的設施農業崇明基地，陽光透過頂部玻璃灑向「植物工廠」。攝｜極客公園

01

農業的頂尖

科技形態是怎樣的？

在「植物工廠」，農作物生長的關鍵要素，都可以被人為控制。

光不僅來自大自然，也包括頂部的 LED 人工補光；温度由數十台空調和風扇控制；水由人工蓄水池引入、和營養液（肥料）一起被自動灌溉給植物；二氧化碳補給器能提供植物所需的氣體。

植物所需的這些營養要素一起耦合，最終決定着植物的生長狀態。這正是丁小濤這樣的科研人員在做的工作——通過對各營養要素的精準調控，讓植物達到最好的生長狀態。

崇明基地「植物工廠」培育的作物。攝｜極客公園

「無論是在營養液、還是光配方（等營養要素）上面，有了一點點研究突破，能夠提高植物的產量、讓它們長得更好，我都很開心。」他説。

在他們的努力之下，「植物工廠」的作物高效生長。在現場，極客公園看到，黃瓜、茄子、甜瓜等作物的藤蔓一層層堆疊着，這意味着它們種了十幾茬才拉秧（結束生長）。而傳統種植方式只能種一、兩茬。

從直觀產量數字來看，崇明基地這座「植物工廠」的植物單位年產量，比傳統種植提高了 10-20 倍。

不只產量，植物的品質也更好。在傳統種植方式下，一旦光、温等生長條件不適宜，植物就容易生病。最後只能通過打農藥解決。但在「植物工廠」，由於條件可控，植物的生長狀態很健康。極客公園看到，工作人員只是在作物周圍貼了一種黃色的紙來粘蟲子。

「我們沒有打藥，你可以直接摘下來吃。」説完，丁小濤摘下一根黃瓜，吃了起來。品質也意味着營養價值，專家們還可以通過調控營養液，實現蔬菜的微量元素（如鉀）定製。

在崇明基地的「植物工廠」，黃瓜的藤蔓一層層堆疊着。攝｜極客公園

我國是人均資源極度匱乏的國家，設施農業——這種通過工業化手段調控環境、以實現植物高效、高質生產的現代化種植方式——已然成為應對我國農業資源短缺的重要舉措。而「植物工廠」作為設施農業的「最高形式」，更是農業發展的重中之重。

目前，我國雖已是設施農業世界第一大國，設施栽培面積佔世界總量的 88%。但其中，95% 以上是日光温室和塑料大棚，「植物工廠」的發展仍不足。「我們的目標就是希望通過植物工廠的發展，推動設施農業的發展。」丁小濤説。

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。

去年，上海農科院成立了這支「植物工廠」團隊。隊員丁小濤和何立中都曾在崇明基地工作近十年，其他隊員也精通植物營養要素的調配，他們是「植物工廠」的先行探索者。

今年 3 月，他們接到了一個新的挑戰。那就是在一個更高級、環境完全可控的植物工廠（沒有自然光、全是人工光），去種植一個更高難度的、對環境異常敏感的全新蔬菜品種「翠恬生菜」（稍微改變營養要素就會影響其形狀走向）。這意味着，環境調控與植物生長之間的關係，將被完全關聯起來。

因此，團隊的植物工廠「種植技術」將暴露無遺。

參與比拼的還有三支隊伍。他們分別是研究「植物工廠」多年的中國農業大學學生團隊、用工科視角研究「植物工廠」的上海交通大學團隊、以及過去主要研究温室番茄種植的企業團隊。（關於這次比賽的更多信息可見極客公園此前報道：《造一座「植物工廠」，提前演練「流浪地球」的終極形態》）。

「田忌賽馬，多多益善。」在賽事評委會主席、中國工程院院士、國家農業信息化工程技術研究中心主任趙春江看來，來自工、農、企各領域頂尖團隊的碰撞，「將有助於我們模擬出作物最理想的生長環境，更加透徹理解以植物工廠為代表的智慧農業，以及更好將其中國化、商業化。」

或許這場交流的意義，就是通過國內「植物工廠」頂尖科研團隊的碰撞，去看人類到底能將植物的生長推進到一個怎樣的邊界、能將植物工廠的效能發揮到怎樣的極限。

02

「植物工廠」

大規模商用正走向拐點

在崇明基地，還有一座特殊的「植物工廠」——它是仿照南極科考站「植物工廠」1:1 建造的。它的底部有 15 根粗壯的「支撐柱」，能牢牢紮根南極凍土層，為工廠抵禦強風和大雪的侵襲。這座小房子幫科考隊員在極寒之地種出了生菜、上海青、韭菜等二十多種蔬菜，讓他們每週能吃到兩、三次蔬菜。

這正是早年間「植物工廠」最重要的應用場景——服務於國家戰略級、軍事級的用途，為人類擺脱自然條件限制、在極端環境種出蔬菜。

上世紀，「植物工廠」的誕生就源自 NASA（美國太空總署）在太空種植蔬菜的需求。2014 年，崇明基地為南極科考站建造了這座「植物工廠」。

在崇明基地，仿照南極科考站「植物工廠」1:1 建造的模型。攝｜極客公園

近兩年，「植物工廠」的應用場景開始向更多場景拓展。

疫情時期，一些產業方開始設想，如果能在特大城市周邊、社區樓下、居民家裏打造「植物工廠」，那麼人們將會獲得更穩定、更新鮮、更高品質的蔬菜供應。這也符合植物工廠的終極消費趨勢。「植物工廠」的發展被提速了。

但橫亙在植物工廠和人們餐桌旅程的最後一道難關，是成本。

作為目前最高級別的農業科技形態，「植物工廠」有一個致命的弱點——那就是打造這樣一個擁有完整工業化種植體系的工廠成本太高——以生菜為例，目前「植物工廠」每生產 1 千克生菜，大約需消耗 10 度電（約 6 元）。再加上種子、營養液、人工等成本，「植物工廠」生菜價格約為普通生菜價格的 10 倍。

未種植作物的「植物工廠」全景，打造這樣一個全工業化種植體系的成本太高。攝｜極客公園

這導致其產品價格高昂，難以走向普通消費者的餐桌。

以崇明基地的「植物工廠」為例，丁小濤説，公司並不能靠給消費者賣蔬菜來賺錢，而是靠給客户賣「植物工廠」設備來賺錢。這也是國內外「植物工廠」的共同痛點。

突破這個產業難題，是丁小濤這樣的科研工作者近年來的攻堅方向。依舊是從生產元素（光、温、水、氣、肥）下手，農學家們可以通過探索最佳的生產元素調控——在生產成本控制得最低的情況下，讓植物長得最多與最好、從而進一步降低生產的邊際成本。

農學家有望通過這種方式，打平「植物工廠」的投入產出比模型。

這是這次比賽的核心目的、也是農學家們自己的期待。「植物工廠的商業落地是目前產業的一個難題，而作為這個產業的科研人員，我們希望能解決這個難題，」來自中國農業大學參賽團隊的隊長鄭建鋒説，他們此次參賽的目標就是，「探索出一套植物工廠產業化盈利的解決方案。」

然而，探索這樣一套產業化方案有兩個難點：一、到底如何最精密地調控生產元素，將「植物工廠」的效能發揮到最優。二、如何把這套方案無門檻推廣給全行業。

事實證明，數字化+AI 是這兩個問題共通的解法。

03

數字化、AI+農學家：

「植物工廠」效能提速

如果將「植物工廠」的運轉比作一個系統：一端輸入光、温、水、氣、肥等營養參數（成本），另一端輸出植物生長狀態（產量、品質）。農學家們的工作是：最準確地理解植物每時每刻的生長需求，給予其最合適的營養參數，讓植物發揮最好的生長狀態。從而實現「植物工廠」高效運轉。

而農學家的這些工作，都可以通過數字化——更準確地説是人工智能（AI），來提升效率。

以理解植物生長需求為例。植物不會説話，農學家通過觀看它的長勢、長相，來判斷其狀態和需求。現在，無需去現場，藉助圖像傳感器，農學家就能隨時隨地觀察植物的長勢。甚至無需觀測，藉助二氧化碳傳感器，農學家就能精確地從植物「吃了多少東西」，計算出它「長高了多少」。

瞭解植物當下的生長狀態和需求後，結合植物本身的生長需求曲線，專家就能快速調整確定植物所需的營養參數。而目前，這個參數是先由 AI 算法作出，再經由農學家反饋和確定、最終再沉澱在 AI 算法裏。

「一半靠專家，一半靠AI。」隊員王虹説。在上海農科院這支「植物工廠」團隊，一半是像王虹這樣的傳統農學家，另一半是精通人工智能、模型算法的農學家。農學家和 AI 一起，推動了植物的成長。

此次比賽中，「植物工廠」集裝箱裏成長中的翠恬生菜。攝｜陳達通

以二氧化碳為例，算法通過對生菜生長需求的捕捉，確定了其快速成長節點。此時，生菜對二氧化碳的消耗量變大，「就像小孩子，進入快速生長期後，他對營養的需求是很旺盛的。如果你補給不到位，就會耽誤他的成長。」王虹説。最終，團隊在合適的時機，補給了最佳濃度的二氧化碳。

以濕度為例，幼苗期的生菜濕度偏低，因此算法為其設置的濕度參數不低於 60 克/立方米。而成長期的生菜蒸騰量上升，算法又將其濕度參數控制在 80 克/立方米以內。

以温度為例，温度變化容易讓生菜「燒心」——即內層葉片「灼傷」，最終影響產量品質。因此，在前期種植過程，算法將温度值恆定為 22 度。而在採收前一週，算法又對温度值進行了相應調整。

最終，在這次比賽中，上海農科院團隊種出了最高產量的生菜。他們也獲得了冠軍。「這是因為我們更理解生菜需要什麼，並給了它最優的生長條件。」王虹説。

而對於種植成本的控制，依然可以用算法來優化。

為了節約種植成本，鄭建鋒帶領的團隊設計了一套算法驅動的自動控制系統。簡而言之，就是在每種生產要素的投入上，「能省則省」。

以温度為例，當種植環境從暗期（光照少）嚮明期（光照多）轉換時，這套系統會阻止空調加温。反之，則讓空調「判斷是否要降温」。

以營養液為例，這套系統能讓營養液泵「以合適的頻率」、「間歇」運行。種植的前期，這套系統不給營養液降温，只有到了種植的「關鍵時期」，才給其降温。

最終，這支來自中國農業大學的學生團隊拿下了「最佳節能獎」，並獲得亞軍。

本次比賽中，四支團隊各自使用的集裝箱式「植物工廠」。攝｜顧辰

「通過計算機的處理，我們簡化了原先操作農事的流程，最終把能耗控制和產能（產量和品質）均提高了 30%-50%。」比賽評委、光明母港農業部總監王金華説。作為上海這一特大型城市主副食品供應方的光明食品集團、以及國內最大農產品上行平台的拼多多，是這次比賽的主辦方。

它們對這次賽事的期待或許已經達成。王金華説，這次比賽的成功之處在於，它通過智能、算法的加持，為產業試驗出了一套「更高效」、「更簡易」的「植物工廠」生產模型——這套模型經過改良之後，將有機會在行業得到真正的推廣和落地。

拼多多高級副總裁王堅則認為，拼多多一直積極參與前端的農業科技創新，只有加強農業科技創新，才能推動農業高質量發展，提高農產品的品質和附加值，滿足消費者對於高品質、安全、健康農產品的需求。

04

特別的收穫：

商業化思考

和這些農學家交流下來，極客公園發現，他們提到的一個難忘收穫是「商業化思考」。

來自中國農業大學的博士生楊瑞梅説，過去在實驗室做科研，她只需要關注自己的細分方向，比如光照參數。但今天，他們的研究已經帶着產業的訴求，開始引入經濟的視角。

這也是丁小濤所在的這支科研團隊第一次撰寫商業化方案。在提交給主辦方的 54 頁 PPT 上，他們不僅為自己的種的生菜設計了外包裝 logo，還寫下了對目標客羣、產品優勢、營銷策略、銷售模式等方面的思考——雖然這些商業化思路只佔最終得分的 1/20。

「我們不僅要知道如何種好，更要去思考如何銷售好，這是非常有意義的經歷。」丁小濤説。目前，他們正準備申請專利和軟件著作權、並希望將這套生菜栽培技術形成企業標準，推廣至行業。

6 月 6 日，15 位大眾評審對決賽團隊種植的「翠恬」生菜進行試吃並打分。攝｜陳達通

本就希望探索「植物工廠」產業化解決方案的鄭建鋒，踏出了第一步。他發現，如果按照他們此次探索出的種植模型，進行「植物工廠」的大規模投產，生菜的成本將降為 2.8 元/株。如果把目標客羣定為上海高資產家庭（他估計有 30 萬户），生菜售價定為 4 元/株，那麼五年內可以實現盈利。

他希望從一些小規模試點開始，吸引目標人羣、甚至產業資本的關注。目前，已有一些產業方開始與參賽團隊接觸。

這正是拼多多舉辦農研比賽的意義，它能讓科研的研究成果，更快地轉化成社會價值。

鄭建鋒已經兩度參賽，在第一屆農研比賽中，他曾帶領團隊獲得 AI 組冠軍。當時，他們探索出的營養液配方動態調整技術，目前已被寫成科普論文、並被嵌入算法模型，正在北京小湯山基地應用。

而他們那屆的亞軍團隊，已經成立了「智多莓」公司，將自己的智能種植系統向全國推廣。在雲南省怒江州老窩村，他們通過這套種植系統，使當地草莓產業常用工成本下降 30% 以上、產量增加 30%，推動了當地草莓產業發展。

比賽結束後，主辦方共建農研基地，繼續用於垂直農業的研究與探索。攝｜付梵

這或許是一個多方共贏的結果。對科研人員來説，他們增加了產業視角，能更清晰地看到自己科研成果落地的價值。對產業方來説，他們能聯合科研機構的力量，為自己的產業化難題找尋解法。

而從社會的角度來説，拼多多等平台公司深入農業上游、扎到細分前沿場景的創新，不僅能更好地帶動消費者端的體驗革命、更能助力農業創新的持續破圈。

這是這個時代有意義的嘗試，值得長期做下去。

*頭圖來源：視覺中國

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