在這裡，植物生長不再“靠天吃飯”，集裝箱內的陽光、雨露、溫度均透過智慧監測、AI調配而成。
文丨新京報記者 喬遲
編輯 丨陳曉舒
校對 丨張彥君
集裝箱內，一長近5米、高度超2.4米的巨型裝置上，冒出綠色嫩芽的生菜在一排排食品級不鏽鋼種植槽上，隨著鏈條和齒輪的轉動，呈“W”形緩慢移動。
這不是生產工廠的機械傳輸機器，而是第四屆“多多農研科技大賽”的決賽現場。其中，這套由墨泉隊設計的旋轉式種植架與傳統植物工廠的層架式結構不同，透過讓種植槽轉動起來的方式，共享一套光照、灌溉系統，還能節約電能、降低整體散熱成本。
以農業起家的拼多多自2020年起牽頭舉辦“多多農研科技大賽”，迄今已主辦四屆。今年是拼多多連續第二年攜手光明食品集團，聯合中國農業大學、浙江大學，在去年開展集裝箱植物工廠種植比拼的基礎上，將植物工廠設計、改造的主動權交給參賽隊伍，探索這一設施農業“高階版本”蘊含的更多可能性。
大賽自3月底開啟招募以來，吸引了16支參賽隊伍、142名來自不同學科背景的國內外青年專家同臺競技。最終，賽博農人隊、上海農科院隊、墨泉隊、葉菜俠隊、綠葉先鋒隊、室墨司源隊成功闖入決賽。
在這裡，植物生長不再“靠天吃飯”，集裝箱內的陽光、雨露、溫度均透過智慧監測、AI調配而成。
這裡有跨行創業的年輕海歸，有高校院所博士碩士，還有已經深耕行業多年的企業，他們在這場比賽中拿出看家本領，每一支參賽隊伍各顯神通，將設計的亮點和巧思融入集裝箱裡，力求在比賽中取得好成績。
“植物工廠是農業數字化的前沿板塊，也是近年來農業高新技術成果落地應用的活躍領域。”中國工程院院士、國家農業資訊化工程技術研究中心主任、首席專家趙春江認為，大賽匯聚了全球青年農業創新人才和成長性很好的農業科技企業，促進了農業前沿技術交流和創新，推動了一系列科研成果的實際應用與推廣，為農民增收和產業發展注入了新動力。
墨泉隊集裝箱內景。受訪者供圖
將業餘愛好做成事業
墨泉隊的“墨泉”兩個字拆開分別是黑土、白水，正是植物生長必備的要素。
這支隊伍被視為“海歸派”代表，成員大多有海外留學、從業背景，且是跨領域進入農業。隊長秦楚漢1992年出生於上海。
秦楚漢轉為農業賽道並不是偶然。從他有記憶開始，就喜歡在家裡的陽臺搗鼓花草。他也很喜歡小動物，但是小動物養不好會死，如果養植物的話，不會那麼傷心。於是，他試著種過辣椒、草莓、黃瓜，只要有種子他都想試一試，“純粹瞎玩。”
16歲時，秦楚漢前往加拿大留學，原本學經濟，後來轉學計算機。2014年，畢業後的秦楚漢進入了最前沿的人工智慧領域，研究機械控制。對於植物的愛好卻一直延續了下來。每天下班，他都會花好幾個小時到後院照顧綠植。
墨泉隊隊長秦楚漢。受訪者供圖
2016年，他了解到植物工廠的概念。植物工廠就是透過人造環境，滿足植物必備的光溫水氣肥，讓植物脫離自然環境生長。他自購木材組裝了一個小空間，再用快遞硬紙板把四周密封起來，底部是塑膠箱，裡面種植番茄，頂部接光源，組成了一個非常簡易的人造植物生長環境。
雖然溫度、溼度控制不好，但是秦楚漢透過自己的動手能力讓植物工廠從紙上概念轉變成為實物。經過他的悉心照料，番茄的長勢很好，他也學到了很多原來不懂的農業知識。
秦楚漢瞭解到，加拿大因為地理位置和極端氣候，一年中七八個月都無法種植作物，相當一部分蔬菜都靠美國進口。像植物工廠這類設施農業有很大的發展前景，它可以不受自然環境影響，全年穩定產出。
於是，秦楚漢開始認真思考做農業，前思後想了大半年時間，決定辭職，2017年正式全職入行農業。
起初，秦楚漢組建了一個小團隊，他們從小裝置研究開始，設計出了高1.3米左右的家用植物艙。加拿大一年大部分時間氣候寒冷，植物艙可以放在室內種植各類綠植，艙內保持穩定的光照和溫溼度等。這臺裝置售價一萬多元，每年可以賣好幾百臺。
葉菜俠隊的隊長解曉巍也把綠植當做業餘愛好，2010年左右，他在家自己動手做水草造景，相當於一個綠色生態的微縮景觀。為了讓造景更美，他上網查需要配置多大功率的光、加多少二氧化碳，透過努力，水草造景一步步變得更漂亮，這個經歷也讓他對植物生長有了初步認識。
2015年，解曉巍進入一家農業公司做產品線開發和品牌推廣，積累了一定經驗後，2020年解曉巍自己創業成立了一家農業公司，主攻綠葉菜的生產，水培沙拉菜、韭菜、茼蒿、白菜、小菠菜等品種。
經過調研，解曉巍瞭解到，綠葉菜是一種非耐儲蔬菜，對生長環境要求苛刻，只能在中等溫度地區產出，中國大部分割槽域無法實現全年生產。但是消費者需求是穩定的，這意味著有一兩個季度，因為供應不足，綠葉菜會漲價。
而且隨著經濟水平越來越高，大家偏向於吃得更健康，對高脂肪、高碳水食物需求會降低，對有豐富維生素的綠葉菜需求會增長，解曉巍推斷，綠葉菜將是增量市場。
解曉巍創立企業的初衷就是透過技術、設施解決蔬菜，尤其是綠葉菜全季節生產的問題。目前，解曉巍的公司專注於沙拉菜、中國菜、中草藥材、合成生物等綠葉草本類作物標準化生產工藝研究，已經在日本、韓國、阿魯巴、泰國等國家和地區落地植物工廠模式。
植物工廠的設計巧思
漸漸地，秦楚漢團隊希望產品從家用中小型的裝置，轉變成大型的工業化裝置，嘗試做垂直農業。垂直農業就是利用層架式立體空間，透過土培、基質培、水培等多種方法進行種植，可以提高空間利用率，同樣的面積下種出的作物更多。
他們瞭解到，垂直農業最大的運營成本就是電，而消耗電最多的就是LED人造光源。植物在一層層立體栽培架上生長，每一排都必須保證有充足的光照，每個生長週期裡每平米耗電量超過1000瓦，所以相比大田農業，垂直農業成本更高，但好處就是土地的利用率高，產量穩定、人效高。
團隊設想，在傳統農業中，日出日落是週期性運動，而土地裡的作物是固定的。如果把概念倒轉過來，讓光源不動，植物轉起來，輪流曬光，就能很好地減少光照能耗，從而減少用電成本，同時能滿足好幾層作物的光照需求。
2019年，他們開始將這個想法付諸實踐。剛開始，他們設計讓種植槽以“O” 的形態運動。從想法落地到精確的機器，是個繁複的過程。秦楚漢和團隊畫工程圖時，要考慮每個圓形孔位的間距，每個槽留有足夠的空間排水注水，在製造的過程中，不斷修改調整。“我們希望第一個裝置做出來能轉就行，但是光讓它轉都花了那麼久的時間，鏈條要多粗、能承重多少、種植槽應該多大、轉彎的角度和速度，都是經過一次次試錯得來的。”
把獨創的技術帶進植物工廠，秦楚漢覺得很有成就感。“能做一些不一樣的東西，為了新興行業前景，說不定因為我們，可以發展更快更好，我覺得是很好的收穫。”
2022年，秦楚漢發現，隨著經濟發展，人們不只希望吃飽，更希望吃好、吃得健康，食品安全品質和多樣化的需求都在提升，農業也在進行轉型升級，在中國，植物工廠還是一個新興事物，也是一個農業發展的必然方向，於是，他決定把事業和團隊帶回國內發展。
秦楚漢在加拿大的第一個室友林維輝得知好朋友回國創業，也加入了團隊。林維輝家裡從事製造業，可以根據客戶需求定製各種機械自動化裝置。他們是多年好友，大家把資源和優勢結合在一起，現在一臺旋轉式種植架裝置只要一個月就可以做好。
林維輝在團隊裡負責硬體和智慧製造，他介紹，植物工廠透過LED燈滿足植物光照，但是燈光會產生廢熱，他們自主研發了多通道混合液冷照明系統，就是在植物燈中整合液冷管道，透過高速流動的液體將植物燈廢熱匯入收集系統的管道中，實現冬夏反向調溫，降低室內能耗，一舉兩得。
另外，種植槽轉到旋轉架底部時，會有15度左右的傾斜，可以把種植槽多餘的水分倒出，再加入新鮮的水肥，形成潮汐式灌溉，可以保證水肥流通。
解曉巍在他的植物工廠裡也融入了自己的巧思。
觀察大部分集裝箱植物工廠的控制系統，解曉巍發現，環境調控都是基於開關控制，比如人工燈一開一關，而解曉巍認為，每一棵作物都有生命，它們體內有一套非常複雜的調控系統，比如白天集裝箱開燈，燈從零開到額定功率，沒有光合作用的曲線，作物產生應激反應，表現就是會先低頭，再去克服應激反應，慢慢抬頭，過程大概持續兩小時。“這樣一點都不溫柔。”
作物一天接受光照時間大概16小時，克服應激反應就要用2小時，光合作用曲線不達標會導致“身體”紊亂，必然生長不好。“我們把這些問題都考慮在內，也做過很多嘗試，與光源廠家合作開發光照系統，讓人工光模擬自然光，並設定不同的光強檔位，讓植物在甦醒時光照有一個緩慢由弱變強的過程。”
葉菜俠隊的Slogan是“與碳基生物交個朋友”。在解曉巍看來，做農業一定要懂得認知作物，太陽每天慢慢升起，慢慢下落，但是人工光“啪嗒”一下就開了，“就像我每天早上8點到工位，立刻進入狀態開始工作是很反人性的事，我要先喝杯咖啡休息一下，慢慢開始工作，大概11點左右才能達到高效率。對植物來說也一樣。你真要了解它，照顧它，考慮它的感受，植物才能茁壯成長。”
另外，解曉巍和團隊在層架上為作物設計了“遮光幕簾”，他們考慮到，燈光有一定的散射角度，一部分光會外溢位去造成浪費，另一方面，“傳統植物工廠LED燈光呈點狀分佈，往往會導致照在中心點和四周的植物光強不均，所以，我們在每個種植單元設計了兩塊遮光幕簾，大幅度提升生長面光和有效輻射均勻度，為植物創造最佳生長環境”。
“這場比賽並非軍備競賽，不僅僅是為了攀登技術高點，還要保障整個系統的穩定性，實現自主生產，同時降低種植門檻，展現出方案的商業想象力。”解曉巍說。
葉菜俠隊集裝箱內景。受訪者供圖
以賽促學激發研究動力
中國農業大學賽博農人隊隊長楊浩已經是第四次參加拼多多農研科技大賽，這支隊伍被視為“學院派”代表。
楊浩本科學機械工程，碩士到中國農業大學學習生物環境與能源工程專業。他以前對農業的理解是大田、拖拉機、收割機，村民們面朝黃土背朝天地勞作。經過學習後楊浩發現，現代農業已經發生很大變化，而且門檻很高。“這是一個綜合性的學科，不光要會種田，還要懂自動化控制、AI智慧演算法等等。”
2020年，楊浩開啟了自己的博士生涯。當時正趕上首屆“多多農研科技大賽”舉辦，帶隊師兄聯絡到楊浩，他所學的植物工廠環境調控、資訊監測等專業正是比賽所需要的。楊浩就這樣加入了團隊，負責草莓生長資訊檢測和環境監測。
四個月時間裡，他們構建的AI種植管理系統實現了智慧化、數字化種草莓，結果顯示，AI組的草莓產量平均值高於傳統農人組平均值196.32%。初次參賽，楊浩與團隊一起拿下AI組一等獎。
楊浩說，定下博士課題後，他開始了自己的研究工作，但是每次跟老師彙報，發現完全不符合要求，這讓他備受打擊。巧合的是，每一屆“多多農研科技大賽”與楊浩研究的課題都息息相關。“這幾屆比賽都是種植，只是植物品類不一樣，第一屆種草莓，第二屆種番茄，第三四屆種生菜。比賽的內容都是透過改善環境讓它長得更好。”比賽成為他推進博士課題研究的原動力，一直促使他把課題做得更好。
賽博農人隊的集裝箱內景。受訪者供圖
今年是團隊第四次參賽，楊浩被選為了隊長。從集裝箱外觀Logo設計、成員工作協調到種植方案確定，大小事宜都需要他安排，肩上的擔子更重了。
今年比賽與去年不同，增加了團隊自主設計、建設集裝箱植物工廠的環節，裡面的硬體裝置、軟體系統、自動化系統都需要團隊完成安裝。
7月初，賽博農人隊拿到主辦方提供的空箱子，但他們發現箱子的尺寸比標準的海上運輸集裝箱更高更大。為了把箱子裡的空間充分利用起來，他們把之前的設計方案重新推翻，育苗區、栽培架、空調節能系統的尺寸重新根據比賽的集裝箱測量、定做，熬了好幾個大夜，換熱器尺寸不合適，他們跟廠家聯絡，重新設計、定做。
楊浩說，之前團隊做集裝箱至少三四個月起，但是比賽集裝箱8月31日就要運到上海，在此之前需要把電、水、空調、栽培架都做好。兩個月的時間很緊，“當時大家壓力很大，這也是主辦方給團隊的一個挑戰。”
楊浩在本次比賽中嵌入了自己的博士課題研究成果。他的研究課題是“基於植物生理反饋的智慧環控技術”，“植物與人和動物不同，渴了餓了熱了冷了它不會表達。但是我透過監測植物的一些生理指標，基於植物生理與植物‘對話’，來反映它的生長狀態。”
主要原理是透過監測集裝箱內二氧化碳與水的消耗量判斷整個環境是否適合植物生長，同時藉助機器視覺輔助判斷植株是否健康，並據此進行環境調控。這套思路被沿用至本次比賽，但同時也嵌入了更多創新的環境技術。
楊浩舉例，光合作用是植物在光的催化作用下，吸收二氧化碳釋放氧氣，積累碳水化合物的過程。他透過監測植物吸收了多少二氧化碳，就能推測出葉片生長的重量。
團隊還在集裝箱內嵌入冷凝水收集系統。植物的氣孔會蒸騰一些水汽，這些水汽經由冷凝水系統收集降溫，透過計算收集的冷凝水量來判斷植物健康狀況。比如，今天收集到了冷凝水10升，那說明集裝箱的生菜蒸騰了10升的水，由此可以判定出植物吸收了多少營養液，再計算需要補充的營養液。“這就是我所說的基於植物的生理反饋判斷健康。”
楊浩設計的第一代裝置佔地比較大，像一個登機箱。經過他的改造升級，裝置簡化成了幾個小的感測器，嵌入到系統裡，可以即時監測植物吸收的二氧化碳量，作物生長穩定很多。
他還在裝置裡插入4G卡，即使沒有網路也可以把資料儲存在本地。“如果沒有今年的比賽，我用去年設計的第一代裝置也可以畢業，但為了比賽，我對第一代技術和裝置進行了更新迭代，讓它變得更好，對我來說更有成就感。”
為農業注入新活力
在創業道路上，秦楚漢和解曉巍都遇到了不同難關。
回國後，秦楚漢發現植物工廠的概念在加拿大的普及度很高，但是國內大眾瞭解和接受的程度並不高。
他和團隊也有猶豫、挫敗，打退堂鼓的時候。有時銷售沒有預期好，或是成本比預算高好多，賣出去不一定能賺錢；有時候找不來融資，投入的資金、人力，讓他覺得很難收回成本，退縮的想法會不時冒出來。尤其與投資人交流時，100個投資人中都不一定會有一個人認可。行業、技術、商業模式、價格通通成為質疑的理由。在不斷的打擊中，秦楚漢有一些信心受挫。
但他覺得，這是創業團隊的必經之路，只要堅持下來就有機會。
葉菜俠隊在商業推廣中也遇到了不少困難。解曉巍經常遇到客戶說，不種在土地裡的菜“沒有靈魂、不接地氣”，還遇到有人問，“為什麼現在的菜不香了？”一些人認為，無土栽培不好吃、沒營養、不安全。
解曉巍認為，新技術在剛剛應用時，人們會有刻板印象，從而產生各種各樣的質疑。
植物工廠將生物、工程和資訊科技等融為一體，是現代農業未來發展的一個圖景。它成功突破環境、地點制約，無需土壤、太陽光，完全依靠人造環境，還可以利用智慧系統調節生長週期，解決了農業“靠天吃飯”的問題，最大程度保障了綠色優質農產品供給。
但是植物工廠的門檻高，相較傳統農業，植物工廠的早期建造成本和後期運營費用是前者數倍之高，種植出的葉選單斤售價更是傳統種植模式的3倍以上。植物工廠對操作人員的要求也更高，不僅要懂農業種植，還要有工學等交叉學科知識儲備。這些都為植物工廠的商業化加大了難度。
中國對植物工廠的研究雖然起步較晚、但是發展迅猛，在光源控制、智慧化管控等能耗節約手段上已跑進世界領先隊伍行列，為植物工廠規模化落地按下了“加速鍵”。
活動現場的集裝箱。受訪者供圖
中國農業大學教授、本次賽事評委之一賀冬仙說道，“想要實現農業大國向農業強國的華麗轉變，智慧裝備一定是主力軍。在智慧裝備的基礎上，利用AI技術顛覆傳統的農業生產方式，植物工廠一定是最具顛覆性的重要體現，也是生產力向新突破的典型範本。”
第四屆“多多農研科技大賽”評委、浙江大學生物系統工程與食品科學學院院長何勇則表示，“本次大賽的舉辦為我國發展設施農業、智慧農場起到了引領性的示範作用。”
“青年人才的創新思維、科技能力和科研精神對於農業新質生產力的發展至關重要。”拼多多集團高階副總裁、首席發展官朱政表示，多多農研科技大賽致力於探索具有前瞻性的農業發展新路徑。“我們希望鼓勵越來越多的青年科學家投身到農業領域，打破行業壁壘，利用技術專長，跨界賦能，為農業注入新活力。”
“多多農研科技大賽”作為農業科技創新平臺，一直圍繞設施農業展開攻堅克難。前兩屆在雲南高原溫室的環境下，比拼AI種草莓、櫻桃番茄；自第三屆起，“賽場”升級為集裝箱植物工廠。
儘管農業投資週期長、回報慢，拼多多仍堅定長期投入，支援農業前沿技術研發，透過牽頭打造農業科技創新大賽等方式，吸引更多創新人才和企業參與到農業技術創新中，共同推動傳統農業轉型升級、推進農業高質量發展。
解曉巍坦言，他來參加“多多農研科技大賽”除了跟優秀團隊比拼技術，還希望能獲得更多訂單，目前他已在比賽中收穫了三個訂單意向，後續合作正在洽談中。
秦楚漢的團隊用旋轉式種植架種植豌豆尖，與傳統農田或溫室相比，同樣的面積產值高400多倍。“已經銷售了幾百份，口碑非常好。”
他們相信，植物工廠的種植模式隨著技術進步、推廣普及，將給人們的餐桌上提供更多更新鮮高品質的蔬菜。
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