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金沙集团1862成色集装箱内，一长近5米、高度超2.4米的巨型装置上，冒出绿色嫩芽的生菜在一排排食品级不锈钢种植槽上，随着链条和齿轮的转动，呈“W”形缓慢移动。 这不是生产工厂的机械传输机器，而是第四届“多多农研科技大赛”的决赛现场。其中，这套由墨泉队设计的旋转式种植架与传统植物工厂的层架式结构不同，通过让种植槽转动起来的方式，共享一套光照、灌溉系统，还能节约电能、降低整体散热成本。 以农业起家的拼多多自2020年起牵头举办“多多农研科技大赛”，迄今已主办四届。今年是拼多多连续第二年携手光明食品集团，联合中国农业大学、浙江大学，在去年开展集装箱植物工厂种植比拼的基础上，将植物工厂设计、改造的主动权交给参赛队伍，探索这一设施农业“高阶版本”蕴含的更多可能性。 大赛自3月底开启招募以来，吸引了16支参赛队伍、142名来自不同学科背景的国内外青年专家同台竞技。最终，赛博农人队、上海农科院队、墨泉队、叶菜侠队、绿叶先锋队、室墨司源队成功闯入决赛。 在这里，植物生长不再“靠天吃饭”，集装箱内的阳光、雨露、温度均通过智能监测、AI调配而成。 这里有跨行创业的年轻海归，有高校院所博士硕士，还有已经深耕行业多年的企业，他们在这场比赛中拿出看家本领，每一支参赛队伍各显神通，将设计的亮点和巧思融入集装箱里，力求在比赛中取得好成绩。 “植物工厂是农业数字化的前沿板块，也是近年来农业高新技术成果落地应用的活跃领域。”中国工程院院士、国家农业信息化工程技术研究中心主任、首席专家赵春江认为，大赛汇聚了全球青年农业创新人才和成长性很好的农业科技企业，促进了农业前沿技术交流和创新，推动了一系列科研成果的实际应用与推广，为农民增收和产业发展注入了新动力。 墨泉队集装箱内景。受访者供图将业余爱好做成事业 墨泉队的“墨泉”两个字拆开分别是黑土、白水，正是植物生长必备的要素。 这支队伍被视为“海归派”代表，成员大多有海外留学、从业背景，且是跨领域进入农业。队长秦楚汉1992年出生于上海。 秦楚汉转为农业赛道并不是偶然。从他有记忆开始，就喜欢在家里的阳台捣鼓花草。他也很喜欢小动物，但是小动物养不好会死，如果养植物的话，不会那么伤心。于是，他试着种过辣椒、草莓、黄瓜，只要有种子他都想试一试，“纯粹瞎玩。” 16岁时，秦楚汉前往加拿大留学，原本学经济，后来转学计算机。2014年，毕业后的秦楚汉进入了最前沿的人工智能领域，研究机械控制。对于植物的爱好却一直延续了下来。每天下班，他都会花好几个小时到后院照顾绿植。墨泉队队长秦楚汉。受访者供图 2016年，他了解到植物工厂的概念。植物工厂就是通过人造环境，满足植物必备的光温水气肥，让植物脱离自然环境生长。他自购木材组装了一个小空间，再用快递硬纸板把四周密封起来，底部是塑料箱，里面种植番茄，顶部接光源，组成了一个非常简易的人造植物生长环境。虽然温度、湿度控制不好，但是秦楚汉通过自己的动手能力让植物工厂从纸上概念转变成为实物。经过他的悉心照料，番茄的长势很好，他也学到了很多原来不懂的农业知识。 秦楚汉了解到，加拿大因为地理位置和极端气候，一年中七八个月都无法种植作物，相当一部分蔬菜都靠美国进口。像植物工厂这类设施农业有很大的发展前景，它可以不受自然环境影响，全年稳定产出。 于是，秦楚汉开始认真思考做农业，前思后想了大半年时间，决定辞职，2017年正式全职入行农业。 起初，秦楚汉组建了一个小团队，他们从小设备研究开始，设计出了高1.3米左右的家用植物舱。加拿大一年大部分时间气候寒冷，植物舱可以放在室内种植各类绿植，舱内保持稳定的光照和温湿度等。这台设备售价一万多元，每年可以卖好几百台。 叶菜侠队的队长解晓巍也把绿植当做业余爱好，2010年左右，他在家自己动手做水草造景，相当于一个绿色生态的微缩景观。为了让造景更美，他上网查需要配置多大功率的光、加多少二氧化碳，通过努力，水草造景一步步变得更漂亮，这个经历也让他对植物生长有了初步认识。2015年，解晓巍进入一家农业公司做产品线开发和品牌推广，积累了一定经验后，2020年解晓巍自己创业成立了一家农业公司，主攻绿叶菜的生产，水培沙拉菜、韭菜、茼蒿、白菜、小菠菜等品种。经过调研，解晓巍了解到，绿叶菜是一种非耐储蔬菜，对生长环境要求苛刻，只能在中等温度地区产出，中国大部分区域无法实现全年生产。但是消费者需求是稳定的，这意味着有一两个季度，因为供应不足，绿叶菜会涨价。而且随着经济水平越来越高，大家偏向于吃得更健康，对高脂肪、高碳水食物需求会降低，对有丰富维生素的绿叶菜需求会增长，解晓巍推断，绿叶菜将是增量市场。解晓巍创立企业的初衷就是通过技术、设施解决蔬菜，尤其是绿叶菜全季节生产的问题。目前，解晓巍的公司专注于沙拉菜、中国菜、中草药材、合成生物等绿叶草本类作物标准化生产工艺研究，已经在日本、韩国、阿鲁巴、泰国等国家和地区落地植物工厂模式。 植物工厂的设计巧思 渐渐地，秦楚汉团队希望产品从家用中小型的设备，转变成大型的工业化设备，尝试做垂直农业。垂直农业就是利用层架式立体空间，通过土培、基质培、水培等多种方法进行种植，可以提高空间利用率，同样的面积下种出的作物更多。 他们了解到，垂直农业最大的运营成本就是电，而消耗电最多的就是LED人造光源。植物在一层层立体栽培架上生长，每一排都必须保证有充足的光照，每个生长周期里每平米耗电量超过1000瓦，所以相比大田农业，垂直农业成本更高，但好处就是土地的利用率高，产量稳定、人效高。 团队设想，在传统农业中，日出日落是周期性运动，而土地里的作物是固定的。如果把概念倒转过来，让光源不动，植物转起来，轮流晒光，就能很好地减少光照能耗，从而减少用电成本，同时能满足好几层作物的光照需求。2019年，他们开始将这个想法付诸实践。刚开始，他们设计让种植槽以“O” 的形态运动。从想法落地到精确的机器，是个繁复的过程。秦楚汉和团队画工程图时，要考虑每个圆形孔位的间距，每个槽留有足够的空间排水注水，在制造的过程中，不断修改调整。“我们希望第一个设备做出来能转就行，但是光让它转都花了那么久的时间，链条要多粗、能承重多少、种植槽应该多大、转弯的角度和速度，都是经过一次次试错得来的。”把独创的技术带进植物工厂，秦楚汉觉得很有成就感。“能做一些不一样的东西，为了新兴行业前景，说不定因为我们，可以发展更快更好，我觉得是很好的收获。”2022年，秦楚汉发现，随着经济发展，人们不只希望吃饱，更希望吃好、吃得健康，食品安全品质和多样化的需求都在提升，农业也在进行转型升级，在中国，植物工厂还是一个新兴事物，也是一个农业发展的必然方向，于是，他决定把事业和团队带回国内发展。 秦楚汉在加拿大的第一个室友林维辉得知好朋友回国创业，也加入了团队。林维辉家里从事制造业，可以根据客户需求定制各种机械自动化设备。他们是多年好友，大家把资源和优势结合在一起，现在一台旋转式种植架设备只要一个月就可以做好。 林维辉在团队里负责硬件和智能制造，他介绍，植物工厂通过LED灯满足植物光照，但是灯光会产生废热，他们自主研发了多通道混合液冷照明系统，就是在植物灯中集成液冷管道，通过高速流动的液体将植物灯废热导入收集系统的管道中，实现冬夏反向调温，降低室内能耗，一举两得。 另外，种植槽转到旋转架底部时，会有15度左右的倾斜，可以把种植槽多余的水分倒出，再加入新鲜的水肥，形成潮汐式灌溉，可以保证水肥流通。 解晓巍在他的植物工厂里也融入了自己的巧思。观察大部分集装箱植物工厂的控制系统，解晓巍发现，环境调控都是基于开关控制，比如人工灯一开一关，而解晓巍认为，每一棵作物都有生命，它们体内有一套非常复杂的调控系统，比如白天集装箱开灯，灯从零开到额定功率，没有光合作用的曲线，作物产生应激反应，表现就是会先低头，再去克服应激反应，慢慢抬头，过程大概持续两小时。“这样一点都不温柔。”作物一天接受光照时间大概16小时，克服应激反应就要用2小时，光合作用曲线不达标会导致“身体”紊乱，必然生长不好。“我们把这些问题都考虑在内，也做过很多尝试，与光源厂家合作开发光照系统，让人工光模拟自然光，并设置不同的光强档位，让植物在苏醒时光照有一个缓慢由弱变强的过程。”叶菜侠队的Slogan是“与碳基生物交个朋友”。在解晓巍看来，做农业一定要懂得认知作物，太阳每天慢慢升起，慢慢下落，但是人工光“啪嗒”一下就开了，“就像我每天早上8点到工位，立刻进入状态开始工作是很反人性的事，我要先喝杯咖啡休息一下，慢慢开始工作，大概11点左右才能达到高效率。对植物来说也一样。你真要了解它，照顾它，考虑它的感受，植物才能茁壮成长。”另外，解晓巍和团队在层架上为作物设计了“遮光幕帘”，他们考虑到，灯光有一定的散射角度，一部分光会外溢出去造成浪费，另一方面，“传统植物工厂LED灯光呈点状分布，往往会导致照在中心点和四周的植物光强不均，所以，我们在每个种植单元设计了两块遮光幕帘，大幅度提升生长面光和有效辐射均匀度，为植物创造最佳生长环境”。“这场比赛并非军备竞赛，不仅仅是为了攀登技术高点，还要保障整个系统的稳定性，实现自主生产，同时降低种植门槛，展现出方案的商业想象力。”解晓巍说。叶菜侠队集装箱内景。受访者供图 以赛促学激发研究动力 中国农业大学赛博农人队队长杨浩已经是第四次参加拼多多农研科技大赛，这支队伍被视为“学院派”代表。 杨浩本科学机械工程，硕士到中国农业大学学习生物环境与能源工程专业。他以前对农业的理解是大田、拖拉机、收割机，村民们面朝黄土背朝天地劳作。经过学习后杨浩发现，现代农业已经发生很大变化，而且门槛很高。“这是一个综合性的学科，不光要会种田，还要懂自动化控制、AI智能算法等等。”2020年，杨浩开启了自己的博士生涯。当时正赶上首届“多多农研科技大赛”举办，带队师兄联系到杨浩，他所学的植物工厂环境调控、信息监测等专业正是比赛所需要的。杨浩就这样加入了团队，负责草莓生长信息检测和环境监测。四个月时间里，他们构建的AI种植管理系统实现了智能化、数字化种草莓，结果显示，AI组的草莓产量平均值高于传统农人组平均值196.32%。初次参赛，杨浩与团队一起拿下AI组一等奖。杨浩说，定下博士课题后，他开始了自己的研究工作，但是每次跟老师汇报，发现完全不符合要求，这让他备受打击。巧合的是，每一届“多多农研科技大赛”与杨浩研究的课题都息息相关。“这几届比赛都是种植，只是植物品类不一样，第一届种草莓，第二届种番茄，第三四届种生菜。比赛的内容都是通过改善环境让它长得更好。”比赛成为他推进博士课题研究的原动力，一直促使他把课题做得更好。赛博农人队的集装箱内景。受访者供图今年是团队第四次参赛，杨浩被选为了队长。从集装箱外观Logo设计、成员工作协调到种植方案确定，大小事宜都需要他安排，肩上的担子更重了。今年比赛与去年不同，增加了团队自主设计、建设集装箱植物工厂的环节，里面的硬件设备、软件系统、自动化系统都需要团队完成安装。7月初，赛博农人队拿到主办方提供的空箱子，但他们发现箱子的尺寸比标准的海上运输集装箱更高更大。为了把箱子里的空间充分利用起来，他们把之前的设计方案重新推翻，育苗区、栽培架、空调节能系统的尺寸重新根据比赛的集装箱测量、定做，熬了好几个大夜，换热器尺寸不合适，他们跟厂家联系，重新设计、定做。杨浩说，之前团队做集装箱至少三四个月起，但是比赛集装箱8月31日就要运到上海，在此之前需要把电、水、空调、栽培架都做好。两个月的时间很紧，“当时大家压力很大，这也是主办方给团队的一个挑战。”杨浩在本次比赛中嵌入了自己的博士课题研究成果。他的研究课题是“基于植物生理反馈的智能环控技术”，“植物与人和动物不同，渴了饿了热了冷了它不会表达。但是我通过监测植物的一些生理指标，基于植物生理与植物‘对话’，来反映它的生长状态。”主要原理是通过监测集装箱内二氧化碳与水的消耗量判断整个环境是否适合植物生长，同时借助机器视觉辅助判断植株是否健康，并据此进行环境调控。这套思路被沿用至本次比赛，但同时也嵌入了更多创新的环境技术。杨浩举例，光合作用是植物在光的催化作用下，吸收二氧化碳释放氧气，积累碳水化合物的过程。他通过监测植物吸收了多少二氧化碳，就能推测出叶片生长的重量。团队还在集装箱内嵌入冷凝水收集系统。植物的气孔会蒸腾一些水汽，这些水汽经由冷凝水系统收集降温，通过计算收集的冷凝水量来判断植物健康状况。比如，今天收集到了冷凝水10升，那说明集装箱的生菜蒸腾了10升的水，由此可以判定出植物吸收了多少营养液，再计算需要补充的营养液。“这就是我所说的基于植物的生理反馈判断健康。”杨浩设计的第一代设备占地比较大，像一个登机箱。经过他的改造升级，设备简化成了几个小的传感器，嵌入到系统里，可以实时监测植物吸收的二氧化碳量，作物生长稳定很多。他还在设备里插入4G卡，即使没有网络也可以把数据储存在本地。“如果没有今年的比赛，我用去年设计的第一代设备也可以毕业，但为了比赛，我对第一代技术和设备进行了更新迭代，让它变得更好，对我来说更有成就感。”“为农业注入新活力” 在创业道路上，秦楚汉和解晓巍都遇到了不同难关。回国后，秦楚汉发现植物工厂的概念在加拿大的普及度很高，但是国内大众了解和接受的程度并不高。他和团队也有犹豫、挫败，打退堂鼓的时候。有时销售没有预期好，或是成本比预算高好多，卖出去不一定能赚钱；有时候找不来融资，投入的资金、人力，让他觉得很难收回成本，退缩的想法会不时冒出来。尤其与投资人交流时，100个投资人中都不一定会有一个人认可。行业、技术、商业模式、价格通通成为质疑的理由。在不断的打击中，秦楚汉有一些信心受挫。但他觉得，这是创业团队的必经之路，只要坚持下来就有机会。叶菜侠队在商业推广中也遇到了不少困难。解晓巍经常遇到客户说，不种在土地里的菜“没有灵魂、不接地气”，还遇到有人问，“为什么现在的菜不香了？”一些人认为，无土栽培不好吃、没营养、不安全。解晓巍认为，新技术在刚刚应用时，人们会有刻板印象，从而产生各种各样的质疑。植物工厂将生物、工程和信息技术等融为一体，是现代农业未来发展的一个图景。它成功突破环境、地点制约，无需土壤、太阳光，完全依靠人造环境，还可以利用智能系统调节生长周期，解决了农业“靠天吃饭”的问题，最大程度保障了绿色优质农产品供给。但是植物工厂的门槛高，相较传统农业，植物工厂的早期建造成本和后期运营费用是前者数倍之高，种植出的叶菜单斤售价更是传统种植模式的3倍以上。植物工厂对操作人员的要求也更高，不仅要懂农业种植，还要有工学等交叉学科知识储备。这些都为植物工厂的商业化加大了难度。中国对植物工厂的研究虽然起步较晚、但是发展迅猛，在光源控制、智能化管控等能耗节约手段上已跑进世界领先队伍行列，为植物工厂规模化落地按下了“加速键”。活动现场的集装箱。受访者供图中国农业大学教授、本次赛事评委之一贺冬仙说道，“想要实现农业大国向农业强国的华丽转变，智能装备一定是主力军。在智能装备的基础上，利用AI技术颠覆传统的农业生产方式，植物工厂一定是最具颠覆性的重要体现，也是生产力向新突破的典型范本。”第四届“多多农研科技大赛”评委、浙江大学生物系统工程与食品科学学院院长何勇则表示，“本次大赛的举办为我国发展设施农业、智慧农场起到了引领性的示范作用。”“青年人才的创新思维、科技能力和科研精神对于农业新质生产力的发展至关重要。”拼多多集团高级副总裁、首席发展官朱政表示，多多农研科技大赛致力于探索具有前瞻性的农业发展新路径。“我们希望鼓励越来越多的青年科学家投身到农业领域，打破行业壁垒，利用技术专长，跨界赋能，为农业注入新活力。”“多多农研科技大赛”作为农业科技创新平台，一直围绕设施农业展开攻坚克难。前两届在云南高原温室的环境下，比拼AI种草莓、樱桃番茄；自第三届起，“赛场”升级为集装箱植物工厂。尽管农业投资周期长、回报慢，拼多多仍坚定长期投入，支持农业前沿技术研发，通过牵头打造农业科技创新大赛等方式，吸引更多创新人才和企业参与到农业技术创新中，共同推动传统农业转型升级、推进农业高质量发展。解晓巍坦言，他来参加“多多农研科技大赛”除了跟优秀团队比拼技术，还希望能获得更多订单，目前他已在比赛中收获了三个订单意向，后续合作正在洽谈中。秦楚汉的团队用旋转式种植架种植豌豆尖，与传统农田或温室相比，同样的面积产值高400多倍。“已经销售了几百份，口碑非常好。”他们相信，植物工厂的种植模式随着技术进步、推广普及，将给人们的餐桌上提供更多更新鲜高品质的蔬菜。 新京报记者 乔迟编辑 陈晓舒校对 张彦君