造一座「植物工厂」，提前演练「流浪地球」的终极形态
让人类可以用低成本方式，随时随地、自动种菜，是这群农业极客的梦想。
作者 | 黎诗韵
编辑 | 靖宇
2015 年，刚刚从南京农业大学蔬菜学专业博士毕业的何立中，接到了一个「意外」的任务——给中国南极科考站「种点菜」。
作为地球上最极端的环境，南极没有蔬菜存活的条件。但科考队员们非常需要蔬菜，不仅仅是作为营养补给，更因为他们常年面对白茫茫的雪地，容易患上「雪盲症」，甚至产生心理疾病，而绿色蔬菜可以作为「园艺疗法」，给队员们带来精神上的「营养」。
不过，从外地向南极运输蔬菜成本极高，离科考站最近的国家是智利，去还得坐上军用飞机。
有没有可能在南极建造一个蔬菜温室，随时给科考队员供应新鲜蔬菜？
何立中和团队——国家设施农业工程技术研究中心崇明基地，给出的方案是，植物工厂——利用一套智能控制系统，营造出一个可以满足所有植物生长要素的环境，从而让人类摆脱自然环境的限制，在任何地点、任何时候都能种植出蔬菜。
但植物工厂的意义，绝不仅是在极端条件下对人类「火星救援」式的自给自足，它更是为老百姓不限地域、不限季节地供应蔬菜，保障餐桌稳定、餐食丰富和新鲜的最佳种植方式。另外，由于全程处于实验室环境，植物工厂的蔬菜无虫害、无农药，人们还可以通过控制营养液，实现蔬菜的微量元素定制，种出更高品质的蔬菜。
向远看，植物工厂，可能是人类农业的未来。
最近两年，从学术界到产业界，一场针对植物工厂的研究正在悄然成风。
2 月中下旬，在位于上海崇明岛的一座大型植物工厂基地里，四支来自中国顶尖农业院校、科研机构、企业的研究团队，正在进行一项激烈的角逐。
他们要解决的是横亘在植物工厂面前最大的难题：如何打平收入模型，用最低的成本，种出最好、最多的蔬菜——这是打通植物工厂到人们餐桌旅程的最后一道难关。
01
顶级「农业大棚」
植物工厂最初设立，源自于 NASA（美国太空总署）在太空极端条件下种植蔬菜的需求。1991 年，参与 NASA 计划的美国威斯康星州大学，开始以人工光（荧光灯管）尝试做太空农业。
一个典型的现代化植物工厂，大致是这样的：
它是一个类似集装箱的建筑物，几乎可以建在任何地方。推开门进去，右手边是三层或六层的种植架，每层平均分布着近百个种植槽孔，植物就从槽孔中长出来。
无论外界四季交替、昼夜更迭，这里永远保持着植物最适宜的生长环境：中央空调提供温度，传感器随时捕捉并调整空气中的二氧化碳浓度，水混合特定比例的营养液顺着管子供给种植槽孔，架子上的 LED 灯则模拟光照均匀撒在每一片叶子上。
在这套工业化的种植体系下，植物以最高的效率生长着，产量也随之暴增。陆地一年只能种植 2、3 茬蔬菜，但植物工厂一年可以种植 10、15 茬。植物工厂的产量可以达到陆地种植的 10 倍以上。
何立中和团队就为南极科考站，建起了这样一座 36 平米的植物工厂。使用带来的种子，队员可以种出生菜、上海青、韭菜、草莓、黄瓜，番茄，西瓜，辣椒等二十多种蔬菜，每周给科考队员们供给两至三次蔬菜。
「这是一项非常重要的技术，万一有一天需要『流浪地球』呢？」何立中说。在崇明基地，我见到了包括他在内的四支团队领队。
何立中带领的是上海农科院团队。他本硕博期间都在研究设施农业，在上海农科院，也主要负责研究植物工厂。
从产量、稳定性、品质、就近性等层面看，植物工厂都是满足老百姓蔬菜供应的最佳种植模式。它是「设施农业」的顶级形态。
我国设施农业的起源，要追溯到上世纪 80 年代。
那时，人们还面临「吃菜难」的问题，蔬菜无法常年稳定地供应。为了更好地摆脱自然环境的限制，一些农民和种植户开始搭建简陋的塑料大棚，后来又演进到日光温室、玻璃温室。
当时，中国农业大学特意开设了「农业建筑环境与能源工程」专业（简称农建专业）。它的核心就是，用更智能化的方式改进农民的设施农业，解决老百姓的「吃菜难」问题。
截至目前，设施蔬菜已经占到我国全国蔬菜供应量的 40% 以上。
数十年过去，这个专业吸引了农村学子郑建锋的目光。
郑建锋出生于河南周口，父母都是农民，他从小就下地干活，种过小麦、玉米、大豆、花生等作物。父母叮嘱他一定要好好学习，「以后不再务农」，但他依然热爱农业。
2011 年高考填志愿，他被现代农业的理念深深吸引了，第一志愿就是中国农业大学，第一专业就是农建专业。
2021 年他以博士身份，进入农大设施农业工程重点实验室，主要研究设施农业，包括智能温室和植物工厂等。
在崇明基地，我见到了这位 92 年的男生。他戴着一副半框眼镜，身形瘦削、语调平缓。在实验室，他拉起一支全员 90 后的比赛团队，他也是四支团队中最年轻的领队。他说，年轻的好处是，「更专注、更重视、更投入」。
在郑建锋看来，我国的设施农业依然「大而不强」。其主体依然是简陋的大棚温室、日光温室，而真正智能化的温室、以及作为设施农业「顶级形态」的植物工厂，依然较少。这和荷兰、日本等农业现代化先进国家仍有较大差距。这也是他想要坚定投入植物工厂的原因。
02
AI 种菜
在毗邻上海市区的崇明岛，坐落着上海光明食品集团的农业基地。光明食品集团一直是上海这座特大城市主副食品的保供方。但拥有 2000 多万人口的上海，「保供压力」一直不小。疫情期间更是不易。这也倒逼光明食品集团开启对植物工厂的研究和布局。
从 2021 年年底开始，光明食品集团就组建了植物工厂的研究团队。整个 2022 年，团队都在对植物工厂深入调研。
2022 年，光明食品集团旗下光明母港携手拼多多举办了「2022 光明多多垂直农业挑战赛」暨「第三届多多农研科技大赛」，这就是今年这四支队伍比赛的背景。作为以农业为长期战略的平台型企业，拼多多希望利用新技术推动农业的数字化发展，为农业带来革命性的变化。
在比赛现场，四座崭新的、占地近十平方米的植物工厂一字排开，它们归属于每支团队。和参观者一样，这也是四只团队第一次看到自己的比赛设备。控制光、温、气、水、肥的设备和参数都被连接在云端，在几天的培训和设备调试后，这些团队将要离开崇明，远程调控植物的生长。
代替人们运营这些工厂的，是云端的人工智能（AI）：
首先，人工智能系统通过二氧化碳传感器和图像传感器，捕捉到植物的光合速度、生长速度，这两个核心指标可以让参赛团队获知植物此刻的真实状态。
其次，人工智能根据这些指标判断出植物缺乏什么，并通过调节温、光、水、肥、气等参数，改变植物的生长环境，让植物更好地生长——这个了解植物需求、并给予植物所需的过程，被称为「与植物对话」。而参赛团队会全程监测、调控这个过程。
「我们参加这个比赛有一个很重要的命题，就是想验证一下农业生产中，有多少决策可以被人工智能代替，它能在农业生产上走多远、做多少。」极星农业的创始人徐丹说。他也是四位领队之一，曾带领团队获得上届农研大赛冠军（关于徐丹团队的故事可看极客公园的详细报道：在北京郊区，做一场最难的「实验」）。
而他已经看到了答案。「我以前不太认为 AI 可以替代我们去做这项（农业）工作，通过这几次比赛，我看到机器能做的真的特别多、人工智能发挥的空间无比巨大。」他说。
事实上，在给南极科考站建好植物工厂后，何立中本人并没有去过科考站。南极出差成本太高，他只能把种菜任务交给随行的医生、厨师。后者毫无经验，只在临行前被培训了两天，并被告知遇到问题可以给何立中及团队发微信求助。但即便如此，他们也成功地在南极种出了蔬菜。
徐丹和郑建锋都认为，目前在农业领域，就算人工智能可以代替人做很多工作，仍很难取代人类专家。后者能提供精准的判断和决策，而机器目前很难做到这一点。
不过，在农业领域，不是所有场景都需要专家。就像在南极科考站，人们的期待是「能种出蔬菜就行」——日常生活中，普通市民的种菜诉求也是如此。
这或许也是植物工厂最具有想象力的应用场景。
徐丹设想过这样的一个画面：未来在植物工厂里，如果人们想要在特定天数之后，获得特定数量的蔬菜，他所有的操作只需汇集成一个按钮。当他按下按钮之后，机器会自动播种、计算生长周期、浇水施肥、开灯等等，而到了约定的日期，这个人要做的只是去把这盘菜端上来而已。
03
科技要高，成本要低
植物工厂似乎是一个最完美的农业种植形态。但它有一个致命的缺陷，就是培养这样一个全可控环境所需的能耗成本太高，导致它的收入模型很难打平，无法商业化落地。
鲍华是一位纯工科背景的教授，他讲话直接，认真倾听时眉头会拧在一起。他的思考极富逻辑，非常理性。作为上海交通大学绿色能源与新农村中心主任，鲍华测算的一个数据是，能耗成本大概占植物工厂总成本的 52%（另一种说法是在 40% 至 70% 区间浮动），其中光源和空调分别占了成本的 60% 和 35%。
这意味着种植一公斤生菜，大概要消耗近十度电，成本要十几元。这使得本就薄利的农业种植更难以挣到钱。
能源控制正是鲍华的强项。他过去研究的方向是微纳米尺度的热量输送和能量转换，后者被广泛应用于芯片等电子器件的散热。
几年前，他还做过一个太阳能海水淡化的项目，在无电力、无能耗的情况下，为海岛供应淡水。后来，他意识到这个淡水装置可以用来种植蔬菜，因此把它改造成了一个无能耗、自运行的蔬菜种植装置。
这次，他希望继续用自己的经验，帮助植物工厂解决能耗问题。为此，他在上海交通大学内部拉起了一支工科、农科结合的团队，参与此次农研大赛。他的目标是将产量提高 40% 以上，能耗降低 25% 以上。
用工科赋能农科、用工科带动农科，这正是他所在的上海交通大学溥渊未来技术学院设定的方向。这也是促使他从工科转入农科的直接原因。
2021 年 8 月，上海交通大学溥渊未来技术学院正式成立。它致力于成为国际前沿的、学科交叉的教研平台。院长倪军教授是机械制造及自动化领域的顶尖专家，曾任宁德时代首席制造官和工程制造及研发体系联席总裁。而学院的名誉院长是宁德时代董事长兼 CEO 曾毓群。
在管理团队的多次探讨后，他们根据人类的本质需求，确定了溥渊未来技术学院未来的两大方向：能源和健康。
围绕能源的产生、能源的存储、能源的输送、能源的使用这四个角度，学院形成了五大研究中心。在能源的使用这个角度上，只有一个研究中心，那就是绿色能源与新农村研究中心。这意味着，学院将农业视作能源最重要的应用方向。
当院长倪军向鲍华抛出橄榄枝，邀请他成为绿色能源与新农村研究中心主任时，他思考了数月。促使他最终答应的原因是，他意识到这是一个正确的方向。
站在国家的历史背景角度，鲍华意识到，过去农业为我国工业现代化做出了巨大的牺牲，它支撑我国从落后农业国快速转变为工业国，但却没有获得匹配的回报。小时候，鲍华的奶奶家就在农村，他看亲人们在田里辛苦地劳作，一年却只能挣几千块，还不如出去务工一个月的收入。他认为，随着目前我国工业化达到一定程度，工业将要反哺农业、城市要反哺农村。他希望参与到这个进程中去。
而他研究的能源方向，又恰恰能够真正支持农业。在鲍华看来，农业与能源息息相关，农业生产的各个环节都要用到能源。如果看历史周期，粮食价格和能源价格也是相关的。鲍华甚至认为，中国农业最大的问题是能源问题，如果电费能耗无法降到一定程度，会影响农业的发展。
这也是此次大赛评委、农学专家朱为民在思考的问题。朱为民所在的上海市农业科学院园艺所，是中国历史最悠久的植物研究机构之一，至今已有 60 年历史。作为园艺所的第三代所长，朱为民认为，智慧农业首先需要解决的是环境控制问题，而这背后是对能量的计算和调整。
「这不是单凭农学就能解决的事。」朱为民说。
在鲍华负责的绿色能源与新农村研究中心，其主要研究方向有两个，一个是低碳农居，另一个就是植物工厂。鲍华说，之所以要将植物工厂作为未来农业的主方向，是因为它是一项「牵引性」的技术。这意味着它会产生技术外溢效应，甚至会溢出到大棚、田地等偏传统的种植模式上，从而带动整个农业的现代化发展。
他的梦想是，在未来的 5 至 10 年内，做出一个全绿电（碳排放为零）供给的植物工厂，降低能耗成本，让植物工厂从业者能真正看到盈利的可能性。
对比前两届比赛，郑建锋觉得，这一届农业比赛最大的特点是，它的重点不再是人工智能技术本身，而是聚焦于技术如何才能贴近实际农业生产，提高产量、实现商业化落地。
这背后是参赛各方对农业生产的理解正趋于成熟。郑建锋记得，当时他的团队曾获得第一届比赛 AI 组第一名，但由于技术成本太高，这项技术的推广过程遇到了一定阻力。而当时的第二名反而更能给农民带来效益。「所以我们核心关注的应该是农业，而不是 AI。」他说。
「我们的评审分数，就看最后产量、品质和能耗之间的比。说直白一点，就看能否在产能和成本之间取得平衡。」光明母港农业事业部总监王金华说。他也是这次比赛的评委。
「因为最终的目的是让市场能够接受你，」王金华说，只有降低生产成本，才能扩大植物工厂的消费群体，而这又会反过来带动产业的发展。
04
年轻人的月亮与六便士
一个变化是，在比赛现场，年轻面孔变得越来越多。2020 年至今，拼多多已连续三年举办农研大赛。
据极客公园观察，在这届的所有参赛队员中，大约 80% 以上都是 90 后。徐丹形容，去年和他一起参赛的队员还是 95 后，今年就变成了 97、98 年的年轻人。通过和这些年轻人交流，极客公园发现，科技，是比赛背后真正的关键词——科技改变了年轻人对农业的看法，也重塑了年轻人对农业的信念。
一直以来，提到农业，人们总会想到「面朝黄土背朝天」，是非常辛苦的工作。这也是农业院校招生困难的重要原因。
郑建锋 2011 年进入中国农业大学读农学本科，他发现这个专业的同学都着急想调剂走，学院不得不出了政策，只有成绩特别好才有资格转院，「不能都走了」。而鲍华团队的熊元科进上海交大的时候，他所在的中法学院为他提供了信息、机械、能源三个选择，但宣讲的老师从没提到过农业。
「这怎么办？只能倒逼我们发展农业技术，减少人们天天呆在田里的状态，慢慢重建人们对农业的认知——它并没想象中那么落后。」王金华说。
徐丹觉得，正是通过这样的科技比赛，学农业的年轻人开始意识到，「农业不是那么 low 的，农业也可以很高科技，挺酷、挺好玩。这让年轻新农人对农业的兴趣更加浓郁了。」
而农业现代化蕴含的前景与可能，也成为了这群年轻人做农业的动力。
和郑建锋一样，他的队员杨瑞梅也出身农村，从小就干过农活。在她的家乡云南，农民还在用牛犁地、手工施肥。学习农业之后，她惊讶于农业自动化技术的高效，希望可以用它们改造农业。
林童是徐丹团队的成员，研究生主修计算机视觉。小时候，她看过外公种水稻，播种非常辛苦，还要小心水里的蚂蝗等虫子。她觉得，如果能把自己所学的科技知识运用到农业领域，减轻农民的劳动，会是非常有意义的事情。
所有的参赛团队都提到跨学科的重要性。作为一门应用学科，农业不仅需要本专业的人才，更需要计算机、工科、商科等跨学科的人才一起建设。「只有这样，农业才能真正地现代化。」上海市农业科学院园艺所所长朱为民说。
但一直以来，朱为民看到，「学科之间的分割很厉害，彼此间的壁垒比较厚」。
通过这次比赛，他很高兴地看到，「搞农业的、搞信息化的、搞能源的、搞装备的年轻人们，都聚在一起想办法种出更多的、更好吃的菜。」他相信等到他退休的时候，农业的学科融合，会找到答案。
这并不是一条容易的路。愿意投身农业的人才太少了，农业专业的学子都难以留下来，更何况跨学科人才。
与郑建锋同届，全班 27 位同学，现在只有 3 个人还在继续从事农业。刚从上海交大农学研究生毕业的孙思捷说，他们每届只有不到 5% 的人愿意从事农业相关的工作。
核心问题还是收入。
同样是理工科，鲍华看到，「交大学 CS（计算机科学）的学生，走路是看着天的。但是学农业，可能一进来心态就没那么好。」前者去大厂，年薪可以给到 70 万以上，而后者年薪则远远不及。
郑建锋也曾体会过现实的残酷。2015 年毕业后，他曾试着找农业相关的工作，但即便在北京这样的城市，工资也只能给到三、四千。「除非你家里不差钱，或者就想追求理想，但这样的人太少了。」鲍华说。
关于如何解决这个问题，鲍华说他也没有答案。面对结构性的困境，在整个行业商业化未完全跑通的情况下，这最终只能靠年轻人自己的选择。
林童做出了自己的选择。她说赚钱虽然重要，但她更希望能做自己感兴趣的事情。她喜欢亲近植物，和人类一样，植物也是早晨活动、傍晚休息，作息规律，这让她觉得自然、舒适。她觉得研究植物非常有趣，最近她读到一篇论文，讲的是科研人员长期给葡萄听音乐，进行声波干扰，会影响葡萄的成熟过程。她意识到，虽然和动物相比，植物是静态的，但植物其实也有强大的生命力。
跟同届同学相比，郑建锋觉得自己最大的幸运就是能做自己热爱的事情。他最享受的时刻是看到自己种的植物不生病，蹭蹭地往上长，「就草莓的叶片特别地嫩绿，在这种（温室）密闭的空间，开满了红彤彤的果实，你进去之后草莓的香味扑鼻，那一瞬间你就感觉特别舒服。」他笑着说。
一位研究人工智能的年轻参赛者说，「互联网行业会消亡，但农业将会永远存在。」他看到的未来是，互联网行业已经是一片红海，但数字农业依然是一片蓝海。这是他们值得投身的未来。
而他们也是这个行业的未来。
*头图来源：视觉中国
本文为极客公园原创文章，转载请联系极客君微信 geekparkGO
极客一问
植物工厂离老百姓的餐桌还有多远？