这批最会种菜的年轻人:要把植物工厂端上餐桌

2023-02-28

一大群博士生、90后年轻人正积极投入“种菜”事业,让外界看到,农业未来图景加速走进大众生活,“不再靠天吃饭”的可能。

作者|刘珊珊

编辑|杨 铭

一个研究微纳米尺度热量输送和能量转换,并获得多种荣誉的纯工科博士,为何突然去种菜了?

最近,来自上海交通大学的博导鲍华摇身一变,成为现代农民,在上海崇明光明母港集装箱里,带领团队未来90天内完成全新生菜品种——“翠恬”的种植,与其他三支同样博士云集的队伍,在第三届多多农研科技大赛的决赛中,进行一场品质好、产量高、算法优且功耗低的“终极对决”。

封闭环境里种蔬菜,完全没有土壤、光照、水分等自然环境可以依赖,鲍华们需要利用技术手段进行一系列智能温控和光源调节、精细营养液配比,甚至进行AI模型训练,才可能让生菜“茁壮成长”。

这并非一次简单的高校种植试验,而是需要考虑大规模落地普及的可能性,“如何用最低成本,种出更多、更好吃的菜。”

随着城市人口激增,食物保障成为国际问题,诸多国家开始研究垂直农业探索。1999年,美国哥伦比亚大学教授迪克逊·德斯帕米尔就提出设想,利用垂直农业技术,一幢30层摩天大楼可以养活5万纽约居民。

这个构想目前仍属于“天方夜谭”,但并不妨碍“垂直农业”概念在欧美走红。与之相比,中国则方兴未艾,更多是在实验室、远洋船队、极地科考站、太空进行探索,广袤大地仍然是传统农业方式为主。

这种情况现在已有明显改变。最近几年,一大群博士生、90后年轻人正积极投入“种菜”事业,也让外界看到,农业未来图景加速走进大众生活,“不再靠天吃饭”的可能。

01

博士、90后为何都来种菜

“日出而作,日入而息。凿井而饮,耕田而食。”先秦无名氏的《击壤歌》,道尽中国几千年农耕文明本质:所有食物都是依赖阳光、土壤生产出来。

万物土中生,有土斯有粮。真正深入农村,人们才会发现农民依然在“靠天吃饭”,甚至难以保障基本收入。“逃离农村”,一度成为热门话题。

“一定要好好学习,以后不再务农。”1992年,郑建锋在河南周口出生后,从小就被父母耳提面命嘱托。

作为豫东大地“粮仓”,距今约8000多年的“华夏第一石磨盘”就出土于此,成为周口农耕文化发祥地的实物见证。但直到如今,仍然是传统农业或大棚温室为主的设施农业。

周口是中国农业现代化水平不足、农业劳动生产率低下的缩影。同时,新型粮食供给是现代农业面临的重要问题之一。

废弃码头、摩天大楼、集装箱等可以改装的“植物工厂”,成为探索方向之一:密闭可控环境下,不受外界气候条件影响,植物可以一年365天无休生长。加上多层栽培差异,产量是传统农业几十倍甚至上百倍,有望让国人彻底摆脱数千年来靠天吃饭局限。

这是一个用高科技打造的现代农业可持续生产系统,包含多个核心要素:第一,采用人工光源与营养液栽培技术;第二,多层栽培,生产环境和条件都由技术精确控制。

技术含量决定,需要更多高科技、高学历人才来“种菜”——93名青年初赛选手中,博士有39人,四支决赛入围队伍“含博率”高达58.3%,最年轻的不到24岁,涵盖农学、机械与动力、能源、AI算法等不同综合学科,都摇身一变成为“新农人”。

这些高学历人才,几乎都是因为情怀、热爱,甚至是信仰投身农业,进行长达数年甚至上十年的研究。并且希望自己的专长、经验,有机会改变家乡和中国农业。

“这种现代农业模式,可能是改变传统农业生产的方法之一。”郑建锋说。他带领的赛博农人(CyberFarm)团队,是闯入决赛队伍中唯一全员90后团队,其中5人是博士后或博士。

现代农业这条路上,郑建锋已经走了十年。2011年高考时,郑建锋如父母所愿走出周口,考上北京大学——他选择中国农业大学农建专业,完成本硕博连读。2021年他以博士身份,进入农大设施农业工程重点实验室,废寝忘食研究设施农业,以及智能温室和植物工厂的应用落地。

在“赛博农人”团队,想要改变家乡命运的还有90后女孩杨瑞梅。她来自云南大理,对“靠天吃饭”有着直观体会。本硕研究农业工程,博士研究植物工厂,在比赛中负责水培生菜生理信息监测——她希望,能研发一些简单、便宜的设备,代替农民栽培、施肥或收割。

这是所有团队“种菜”的共同想法。“希望打破学科壁垒,用农-工多学科交叉融合去解答农学难题。”作为上海交大“生生不息”队长,鲍华说。

鲍华希望将自己的专长——能源研究,用于“翠恬”种植。他曾和上海交大农业与生物学院合作,为海岛等偏远无淡水地区的蔬菜供应,提供无土、无淡水、无电源条件下成功种菜的解决方案。

上海交大“生生不息”团队

“我们会把南极种植新鲜蔬菜的经验,运用到集装箱垂直农场。”“上海农科院”队队长何立中博士说。2014年从南京农业大学蔬菜学专业后,他一直在国家设施农业工程技术研究中心崇明基地,从事植物工厂栽培技术研究。

2014、2015年南极长城站、中山站相继建成温室,尝试种植新鲜蔬菜时,何立中等人负责为科考队员在仿真南极条件下提供培训,教他们如何在极地“种菜”。

“我们想让社会看到,一种能够把生产效率提到很高水平的生产模式。”这是“生菜快长”队(lettus grow)队长徐丹的初衷,他是设施农业领域小有名气的极星农业创始人,曾为北京冬奥会供应生菜。

在徐丹看来,植物工厂是设施农业最高级发展阶段,也是衡量一个国家农业高科技水平重要标志之一。尽管这种模式是否符合中国农业,是大面积推广还是小面积种植,都没有确定——但至少,可以证明中国有更多90后博士,能通过公平竞赛,打开现代农业想象大门。

02

高效生长,AI控制来解决?

进入2月,立春已过,大地回暖,上海崇明花博园迎来一年最美赏花季。

在光明母港垂直农业研究中心,四支团队竞逐的集装箱一字排开,内部一侧是环控系统,一侧是栽培口,每一层都被分割成一个个小格子,翠绿生菜沐浴着LED人造灯,喝着人工配备的营养液。

与多多农研前两届比赛不同,这一次种植场景从云南高原温室升级为纯人工光的植物工厂——没有土壤、没有日照,难度全方位升级。

没有土壤与日照条件下,植物工厂主要围绕光源创新、栽培技术、智能化控制三项关键技术进行突破。

光源上,目前国内外通常采用LED灯进行创新,它可以组合成植物需要的光谱。栽培技术上,NFT、DFT技术为基础的多种立体多层无土栽培技术装备,适合蔬菜、根茎类植物生产。

最大难题是智能化控制——从生长模型、种植决策到生长状态,进行高效环保的生产要素控制。例如,养分、光照的智能控制,不仅具有时间、空间要求,还需要和其他多种环境要素耦合统筹控制——比如温度、湿度、二氧化碳、洁净度等,任何一个细节有所失误,都会最终影响蔬菜生长速度、产量和品质。

徐丹对此有着深刻教训。有一年在北京温室育苗时,在嫁接苗“伤口愈合”关键时期,由于没控制好温度和湿度,三分之一的苗没嫁接成功,枯死在温室里。

加上“翠恬”是全新品种,四支团队此前并未掌握其作物生态特征,以往经验和策略都需要改动,稍有不慎,满盘皆输。

容错率如此低,唯有通过人工智能的海量数据,才能找到最佳生态模型——这是一条可以用线性函数来表达的过程,时间、重量是其重要坐标,以此描绘出完全不同于土壤生长的曲线模型。

人工智能如何与智慧农业结合,这些90后博士并不陌生。3年前,郑建锋通过AI,制造出了珠圆玉润、多汁饱满的AI草莓,带领团队获得第一届多多农研科技大赛AI组冠军。

参赛队伍在AI、算法方面都有深厚积累

这正是四支队伍之间能力最大比拼。90天竞赛内,每一茬生菜的光、温、气、水、肥五大元素的参数监测,以及生长状况、生长环境的精细调控,都是通过AI提供,人工调配而成。

其实,这解释了植物工厂为何是现如今工业、农业最高形态结合的原因:一方面,除了AI,大数据、云计算、数字技术、合成生物等先进技术都有应用;另一方面,需要更专业的多学科人才,调整五大元素配比、生长方案甚至生长模型,指导最终生产。

“搞农业的、搞机械与动力的、搞能源的、搞AI算法的,都聚在一起。”第三届多多农研科技大赛评委、上海市农业科学院园艺所所长朱为民就说,只有所有人配合起来,才能完成挑战。

整体来看,AI、算法如何与农业智慧化融合上,经过三届探索,已是一个认知逐渐全面、技术创新侧重点各有不同的过程。

例如,郑建锋团队此前积累了大量LED光照调控等技术专利,他们将通过AI,针对“翠恬”生物特征,找到专属于它们的“光配方”——即光谱组合与配比,实时动态提供光信号和光合能量,提高生产效率。

上海农科院团队

何立中团队则结合AI辅助验证、预警应用,实现栽培环境的精准控制和资源高效利用;徐丹计划在有限空间内种更多植物,试图验证农业生产中,有多少决策可以被AI代替。

“农业AI相当于自动驾驶AI,辅助人们避开危险、及时提醒纠错。”徐丹说。但是,这并不意味着将方向盘交给AI,更不意味着可以代替农业专家,而是一个高效生长、影响生产成本变动的协同过程。“无论如何,核心仍然是人。”

03

困于成本,走出实验室的巨大挑战

1957年,世界上第一家植物工厂诞生在丹麦。1974年日本等国也逐步发展起来,东芝、富士通、松下、夏普等日本科技巨头扎堆建设。如今在国内,植物工厂也并不新鲜——目前我国植物工厂总数已经超过250座,成为数量仅次于日本的植物工厂大国。

但坦率地说,目前可以称为落地普及成功案例的植物工厂,国内难寻更多案例。

原因在于,植物工厂最难的不是技术瓶颈,而是建设成本和运营成本居高不下——这几乎是所有参赛选手对植物工厂的直接认识。

建设成本上,集装箱这样的植物工厂,在全封闭环境下进行生产,需要投入包括外维护结构、空调系统、人工光源装置、多层栽培架、营养液循环与控制系统、计算机调节与控制系统在内的系列昂贵工程与装备。

最大问题是可怕的后续运营成本,这主要是每天24小时不间断的人工照明、气候控制能源消耗带来。美国堪萨斯州土地研究所此前认为,倘若利用垂直农业取代美国全年小麦生产,仅照明用电需求,就是美国所有电站1年生产总电量的8倍。

鲍华团队提供的数据,也证实了这点:当前植物工厂所面临的最大挑战来自能源消耗,其中电力消耗占比52%、劳动力消耗占18%。另外,各种材料费、工人劳务费、物资运输费、人员管理费等也不可小觑。

这导致商业上的现实挑战是,价格成为植物工厂蔬菜端上普通人餐桌最大阻碍。普通生菜每千克成本不超过8元,而植物工厂每千克生菜需要消耗10度电——这还是当前行业较高水平,产品成本高达20多元。

价格昂贵消费者鲜有问津,又会拖累企业盈利。日本是全球LED照明、植物工厂发展最快国家,但根据《福布斯》报道,日本植物工厂有大约70%无法实现盈利,甚至有人认为,这一数字应该接近90%。

在美国,被高昂能耗成本拖垮的垂直农场企业,不在少数。成立于2010年的Farmedhere,曾是北美最大的室内垂直农场,但深受LED灯照明成本的困扰而宣告停业。

因此,所有植物工厂想要走出实验室,都需要以降低能耗为导向,以最低能耗获得最大产出。甚至,这可以抢先掌握未来竞争核心。

如何降低能源消耗上,四支队伍有着相同之处,可以简单理解为通过人工智能技术和控制策略,优化灯源、光谱、环境设计等的能耗利用。

节约用电、提高光电转换效率是郑建锋团队思路。基于以往“AI种植草莓”经验和试种的反馈,郑建锋团队提出动态提供光信号和光合能量,为植物定制光配方。

这可以简单理解为,不同作物需要不同的光周期,寻找到植物最佳光合生长平衡点后,动态提供光源能耗,就可以找到生菜用电能耗最优模式。

徐丹的思路和郑建锋有类似之处,他认为根据传感器监测的植物生长情况,可以不断给植株调整“座位”,不同密度区给予不同光强度与光配方,实现空间与光能的最大化利用。

降低空调能耗,是鲍华本次比赛关注重点,他希望优化光源配备、加大光学新材料的应用,同时让工厂内部实现水、营养液的循环利用,提高能源利用效率。“产量提高40%以上,能耗降低25%以上。”

此前,该团队探索清洁能源的利用,成功进行水面上零耗能,光伏新能源发电种植蔬菜实验。这也让外界看到,“万物生长可以离开太阳”——光伏、风能、水力等取之不尽的能源,也可以为植物工厂提供能量。

04

落地普及,端上消费者餐桌已有可能?

具体到能耗可以降低到什么程度,还需在90天后揭晓答案。但这些探索至少可以证明:植物工厂成本难题,看上去并非无解之题。

理想结果是,一旦能源消耗被验证可以通过优化、替代方式降低到一定水平,且高效、高产,那么设施上的一次性较大投入,就并不太重要。加上人工智能无人化管理,植物工厂经济性也就会凸显出来。

中国蔬菜需求市场巨大。商业角度来看,蔬菜植物工厂种植价值远远超过水稻、小麦等主粮,且种植难度、要求更低。比如生菜,市场平均价格在每斤近4元,超过小麦平均1.5元的价格。

在我国,生菜是一个巨大产业,因为脆嫩清爽的口感,以及所代表的健康餐饮理念,走进了千家万户。据FAO统计数据显示,2020年,我国生菜和菊苣类蔬菜播种面积达606.43千公顷,在全球所占的比重为49.45%。但大部分都是传统农耕、温室大棚方式种植出来,耗时久且产量不高,“生吃”的安全性、洁净度上也比不上植物工厂。

因此,一旦植物工厂的生菜种植应用普及得到验证,那么无疑会加快中国消费者对植物工厂种植的认知——像生菜这样的蔬菜,会很容易走进菜市场,端上普通消费者的餐桌。

而鉴于植物工厂巨大潜在优势,生菜种植对探索智慧农业的应用普及和商业模式,更是具有可持续发展意义。

“如果我们北京基地能够盈利,那么就可以拷贝到全国任何一个地方。”这是徐丹的“野心”。此前,智能新技术的应用,使他基地里作物几乎摆脱农药使用,单位面积耗水量不足传统农业的1/10、产量却是传统农业10倍以上。

在徐丹计划里,本次比赛中训练的AI,还可以为后续更大规模高端植物工厂服务。比如,将自己经验转化为逻辑与数据,设计出算法模型,就可以在更多农业场景应用。

AI种植能力在农业生产中已有诸多应用。在小汤山国家农业科技示范园,郑建锋团队此前的科研成果,包括草莓营养液配方动态调整技术等得到了推广。在辽宁丹东东港,一家草莓合作社在引进智多莓公司AI技术后,实现了一个人管理7-8个大棚同时产量翻倍的效果。

这种落地应用案例,对解决未来人类发展诸多问题至关重要——比如,成为解决大城市粮食供应、人口、资源、环境问题的重要途径。

全球一些城市已加快探索步伐,在四面环海的新加坡,把垂直种植模式应用到城市农业中后,成为绿地覆盖面积为50%的“花园城市”。

这也是郑建锋们的目标所在:助推基于植物工厂技术的鲜食蔬菜规模化高效生产,为北京、上海等大型都市的菜篮子工程提供解决方案。

另外,在极地、荒漠、戈壁、海岛、水面、太空等极端环境,也已成功验证,科技带来的种植革命,是食物自给、蔬菜自由的重要手段。

南极中国科考队实现了蔬菜自由

一个例子是,在冰雪覆盖的南极长城站,各种绿色蔬菜、黄瓜、西红柿、辣椒等正在全透光温室里肆意成长,年产量达900斤,完全满足科考队日常所需。

2月13日,今年中央一号文件发布,这是21世纪以来,中央连续出台的第20个指导“三农”工作的一号文件,建设农业强国成为重中之重。

这意味着,无论是科技与农业的智慧融合,还是更多人才跨界变身“新农人”,都才刚刚开始。

在“生菜快长”队,队员林童本科到留学博士都是计算机科学,但在刘宁晶博士影响下——后者是徐丹第二届参赛队员,此前放弃绿卡回国加入拜耳从事数字农业项目,才踏入了农业领域。如今,林童是拜耳作物科学亚太区数农孵化器的数据科学家,试图将算法与农业更好结合。