沒土壤、沒陽光，只有電能帶動裝備運轉，植物生長能突破大自然的限制嗎？

近日，光明多多垂直農業(yè)挑戰(zhàn)賽暨第三屆“多多農研科技大賽”比賽結果出爐。為了種好一棵生菜，15支隊伍進入初賽，四組團隊殺出重圍，并最終摘得一、二、三等獎以及“最高產量獎”“最佳節(jié)能獎”。

這場比賽是一場工學與農學的精彩碰撞融合，參賽隊伍突破學科壁壘，基于作物生長模擬、大數(shù)據(jù)分析和終端智能調控的系統(tǒng)，讓植物工廠中的生菜在生長速率、能耗消耗、經(jīng)濟產量之間求得平衡，為最終農研成果的商業(yè)化提供可行方案。在新農人的眼里，他們嘗試的垂直農業(yè)、設施農業(yè)不僅是為了在不適合植物生長的地方實現(xiàn)種植，突破生長限制，其種植過程還是一場精密且復雜的運算。

四支決賽團隊與賽事主辦方及指導單位的專家、領導在一起。

“在不適合植物生長的地方實現(xiàn)種植”

模擬最理想生長環(huán)境

歷時近5個月、工學和農學結合、控制能效、平衡生長速率和產量……一群新農人為了讓一棵生菜長得更好，共同參加了第三屆“多多農研科技大賽”。

從全球15支初賽隊伍中脫穎而出的四支戰(zhàn)隊，由幾十位不同領域、不同學科背景的年輕專家組成。他們嘗試突破學科壁壘，合力挑戰(zhàn)在全封閉的集裝箱以更低能耗種植更優(yōu)品質、更高產量的全新生菜品種“翠恬”。

經(jīng)專家評委審定，何立中博士帶領的上海農科院隊最終摘得冠軍，并奪得“最高產量獎”。這支農學家團隊曾為我國南極科考隊員提供極端環(huán)境的蔬菜種植培訓。來自中國農業(yè)大學的“CyberFarmer”隊榮獲大賽第二名與“最佳節(jié)能獎”。上海交通大學博導鮑華帶領的“生生不息”隊與極星農業(yè)創(chuàng)始人徐丹領銜的“LettUs Grow”隊并列第三。

“學科與學科之間的融合，相互配合的模式是非常難的。”光明母港農業(yè)事業(yè)部總監(jiān)王金華坦言，“多多農研科技大賽”跨過了不同學科之間的鴻溝和壁壘，尤其是讓工學和農學相輔相成，這是一次打破學科科研邊界的探索。

在獲勝的四組比賽團隊，從事農學研究的上海農科院團隊長期探討研究溫室葉菜，如今正考慮將有工科和計算機背景的人員融入到農業(yè)技術人員的團隊，后者可以對農業(yè)生產產生指導性，例如葉菜生長過程所需的農藥量、生長周期的特質等。“要有工科背景的同行，甚至團隊要根據(jù)需求編織相關專員。”王金華更為看中跨學科合作的重要性。

實際上，所有的參賽隊伍對于新品種生菜翠恬的品性、特性、生長模型都不熟悉，加之外部環(huán)境不可抗的變量，都對參賽隊伍產生了挑戰(zhàn)。即便如此，四組參賽隊伍以及組委會評委均認為，能在集裝箱內達到理想效果，解決種植過程中遇到的種種難點，才能更適用于商業(yè)化場景。

“從科研層面看，多多農研科技大賽提供了一個較為密閉的集裝箱環(huán)境，可以給植物任何它需要的環(huán)境，比如增加生菜喜歡的光、更適合的濕度，探索植物在不同環(huán)境里的表現(xiàn)，為科研提供新的研究方向。”徐丹直言，實驗就是在摸索植物的上限和下限，將有利于植物生長的條件在植物工廠放大，人為制造出一個超越大自然的環(huán)境，最大限度挖掘植物生長的潛力。

不僅限于徐丹的團隊，4個獲獎團隊都是在模擬植物生長需要的最理想的生長環(huán)境，不受制于自然條件、地勢、氣候等限制，也能對抗外界各種不可抗因素，例如嚴寒、病蟲害等。這意味著，未來，依靠電和水，就能構建一個超自然且適合植物生長的環(huán)境，在不適合植物生長的地方也能實現(xiàn)種植。

“我們相信設施農業(yè)是未來。”徐丹感慨于設施農業(yè)無限可能性，也是看到了工學、農學、計算機等學科專業(yè)交叉融合的未來。LettUs Grow隊6人中，4人學農、2人對AI頗有研究，他們包括了生菜栽培專家、生菜生長模型專家、數(shù)據(jù)科學家、植物生理學專家、農業(yè)商業(yè)模式專家以及AI算法工程師。參賽團隊“生生不息”只有一人懂農學，其余5人均是工學出身。

在大賽評委、中國農業(yè)大學教授賀冬仙看來，四支隊伍各有千秋。“決賽最大的看點是上海農科院隊、LettUs Grow隊代表的農學團隊與上海交大‘生生不息’隊、‘CyberFarmer’隊代表的工學團隊的較量。”兩者的區(qū)別在于，農業(yè)學者習慣從作物栽培的需求與規(guī)律入手，將傳統(tǒng)種植經(jīng)驗與人工智能結合，獲取更佳的種植結果；工科專家則將生菜種植作為應用場景，以前沿技術解決農業(yè)生產的現(xiàn)實難題。

“四支團隊的決賽報告比初賽更加成熟，都將數(shù)字科技與農業(yè)緊密結合起來了。”中國工程院院士趙春江表示，“數(shù)字技術手段始終是一種工具和方法，要解決農業(yè)問題，必須將農業(yè)理解透徹，如此，工學與農學的結合才會有更好的效果。”

可以說，這并不僅僅是單一的農業(yè)種植比賽，更像是一場科技技術的比拼。農業(yè)產業(yè)每一次的巨大升級，都來自于前沿科學的驅動。為應對可能的變化，全球的頂尖機構都將數(shù)字化、信息化、智能化的探索作為首要發(fā)展任務。正如徐丹所言，植物成熟度、成熟時間等信息都可以生成模擬算法，一邊傳給生產端，監(jiān)控生長情況，一邊傳給生產者，為采收與銷售鋪路。

本次大賽的四個集裝箱式植物工廠將成為拼多多與光明母港共建的農研基地，繼續(xù)用于垂直農業(yè)的研究與探索。

“追求經(jīng)濟產量最大更重要”

反復拉扯只為降低能耗

無論是口感最優(yōu)，抑或是品相最佳，四支參賽隊伍都不約而同地在產能和耗能中尋找平衡。為了降低耗能，參賽團隊可謂絞盡腦汁。“在集裝箱這樣一個較為封閉的場景，耗能無非來自于空調，用來維持內部溫度穩(wěn)定時產生的能源消耗，以及提供植物所需光照時的能耗。”鄭建鋒十分清楚翠恬生菜生長期內的耗能來自于哪。

同樣，三號集裝箱的參賽團隊LettUs Grow隊隊長徐丹也將關注重點放在了控制耗能，即控制電耗。“降低電耗是實驗過程中最難突破的點，會影響成本以及推廣”，徐丹詳細地舉例，生產1公斤生菜需要22度電，也就意味著每生產1公斤生菜，徐丹的團隊僅在電費上就已經(jīng)支出10元，已經(jīng)遠超商業(yè)化時市場能接受的水平。

第三輪種植正值室外溫度快速升高的5月，集裝箱外的溫度較高，各團隊為保證生菜品質需要保持較低的室內種植溫度，由于內外溫差較大，空調調降溫負荷不斷增加，直接產生了大量的電能消耗。在不改變外界環(huán)境條件和集裝箱結構的傳熱特性前提下，CyberFarmer設計了一套控制系統(tǒng)，自主控制各設備的運行和啟動，讓整個系統(tǒng)更加節(jié)能。

“植物有明期暗期，要不停地開燈和關燈，溫度設置自然不同，空調運行也需要隨時調控。”鄭建鋒繼續(xù)解釋：空調確保室溫在19-22攝氏度，并控制空調在暗期向明期轉換期間不啟動加溫，在明期向暗期轉換期間根據(jù)室內外溫差判斷是否啟動降溫，減少不必要的能耗。不僅如此，控制營養(yǎng)液供液泵在明暗期以合適的頻率間歇運行；前期不對營養(yǎng)液做降溫處理，僅在后期品質形成的關鍵時期進行降溫處理……種種方式都在為控制能耗做努力。

毋庸置疑，工學背景的加持對能耗有了極佳的控制。鄭建鋒認為，如果將他們的種植方案運用到大型植物工廠，每千克生菜的耗電量可以降低到9.5度，“優(yōu)于1千克生菜10度電的行業(yè)較高水平”。

一開始，鄭建鋒帶領著團隊CyberFarmer圍繞生菜的商業(yè)性進行布局，并沒有以最大生物量為唯一的衡量標準，而是兼顧產量和品質的基礎上不斷調整生長速度。保證生菜不燒心的同時，盡可能降低能耗，促使產量和品質同時達到優(yōu)質水平。

鄭建鋒提出，要基于作物的生理反饋，實現(xiàn)植物工廠的智能環(huán)控。團隊將生長速率作為環(huán)控的重要依據(jù)，當溫光水氣肥等條件適宜，生菜便會快速生長。而悖論在于，長得太快，生菜容易燒心，影響品質。團隊將環(huán)控目標設定為，適度控制生長速率，不追求生物量最大，追求經(jīng)濟產量最大。

“要經(jīng)濟產量，也要品相品質好，是我們一開始給自己制定的目標。”鄭建鋒和團隊希望借此機會驗證植物工廠的產業(yè)化率，以便于后期推動設施農業(yè)的產業(yè)化發(fā)展以及快速的商業(yè)化。

在種植過程中，CyberFarmer根據(jù)前期的種植經(jīng)驗，制定了一條產量和品質能同時達到相對較優(yōu)狀態(tài)的目標成長曲線，團隊圍繞這條曲線目標，實時調控翠恬生菜的實際生長速率和目標生長曲線保持一致。

有趣的是，上海交大“生生不息”隊這群參賽前沒種過菜的工科專家，則利用專業(yè)特長構建了輔助智慧栽培的信息化平臺。該平臺不斷迭代，生菜快速增產，第三茬的生物量較第二茬增長86%，較第一茬增長135%。這讓不少評審專家感慨，“如果多種幾茬，冠軍可能就是工學家了”。

在四支參賽隊伍中，獲得冠軍的上海農科院隊最后一茬生菜的生產效率達到0.18kg/m2/天。“此次賽用集裝箱式植物工廠并非生產型，僅安裝了三層層架，如果增加種植架層數(shù)，提高空間利用效率，以我們的種植方案推算，生產效率完全可能達到0.4 kg/m2/天的國際先進水平。”何立中表示。在品質方面，上海農科院隊送檢生菜的可溶性糖含量達到0.43%，為四支團隊之最。

比賽期間，上海農科院隊還開發(fā)了一套智慧種植決策管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合植株的生長模型、光截獲模型、蒸騰模型等算法，實時收集各類傳感器回傳的數(shù)據(jù)，尤其是利用深度相機多源采集圖像數(shù)據(jù)進行植株長勢監(jiān)測，可輔助有關光配方優(yōu)化、環(huán)境調控、緩解燒心以及及時采收等方面的種植策略判斷。

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、打分，上海市長寧區(qū)市場監(jiān)管工作人員進行了現(xiàn)場快檢。

“自動化種植無需面朝黃土背朝天”

商業(yè)轉化已有成效

“想要植物工廠產業(yè)化，農作物商品性就一定要好，這樣才能取得一定的經(jīng)濟價值。”在三輪種植過程中，鄭建鋒相較于其他團隊算得上是先行一步，一早就從商品化出發(fā)，考慮實驗室長大的翠恬生菜要盡快落地和普及，優(yōu)先考慮最佳經(jīng)濟產量的標準，而非最大生物量。CyberFarmer團隊經(jīng)過核算，如果大規(guī)模生產，翠恬生菜單株成本可降到2.8元，已經(jīng)較為接近市面上的生產成本，“單株按照4元銷售，平均五年能實現(xiàn)盈利”。

鄭建鋒和CyberFarmer團隊設定，在大城市內部或周邊實現(xiàn)鮮食免洗生菜的就近供應，讓高品質的蔬菜每天都能持續(xù)穩(wěn)定供應消費者。

比賽伊始，單一的突出因素并不能成為跑贏的唯一指標，比賽結果之間的評分差異，是一個綜合性衡量之后的結果：要最大限度實現(xiàn)產量和算法的平衡。在專業(yè)評委評選環(huán)節(jié)，王金華對比賽考量因素進行了解釋，產量代表著每個團隊的產出和產品質量，然后再評判基于智能化應用對生產的決策性指導的作用，最后將各項因素綜合考慮得出評分。

“大賽是希望能夠讓更多學科走進農業(yè)，為農業(yè)強國做出努力。”王金華解釋稱，舉辦賽事的一個初衷就是今后自動化種植方式，能夠解決面朝黃土背朝天的傳統(tǒng)種植方式，讓更多的掌握工學、計算機學技術背景的新科學人員愿意從事農學，技術扶持可以大幅改善從業(yè)環(huán)境。

拼多多黨委書記、高級副總裁王堅表示，“決賽隊伍讓我們看到汗水農業(yè)向智慧農業(yè)轉型的方向與路徑。拼多多將持續(xù)舉辦創(chuàng)新賽事，鼓勵大家把論文寫在大地上，把成果留在農民家”。就像是鄭建鋒團隊在此前賽事中積累的營養(yǎng)液配方動態(tài)調整技術，目前已被寫成科普論文，所有數(shù)據(jù)也已嵌入模型，形成了標準算法，正在北京小湯山基地應用。

工學智能算法引入對環(huán)境的監(jiān)控、生長預期預估能力等，為農學提供了有意的方式方法。計算機處理手段非常有效地控制了能耗，相較于傳統(tǒng)農業(yè)種植，設施農業(yè)的產值效率已經(jīng)提高了30%-50%，效能也較此前降低了近30%，王金華強調比賽得出的結果對智慧農業(yè)帶來哪些作用時給出了上述數(shù)據(jù)，并認為“這些數(shù)據(jù)足以證明該項技術成果已經(jīng)具備可推廣性”。

當談及集裝箱里的種植技術距離商業(yè)化推廣和落地還差什么，王金華強調，“盡管可復制推廣，但我們需要將當前應用的系統(tǒng)完善，加速各個團隊和企業(yè)之間的深入合作，持續(xù)將整個系統(tǒng)和生產過程深化和完善，最終形成一套具備可操作性和可實施性的生產系統(tǒng)加模型”。

作為參賽選手的徐丹認為，“從實驗室走到商業(yè)化難點在于‘心理’，即便是采用無死角的遠程監(jiān)控，實時數(shù)據(jù)回傳可查看情況，我們總是不放心實驗室里的情況，仍需要有工作人員在現(xiàn)場以便不時之需”。“如果難以擺脫人力，就意味著應用場景的擴大會受限，”徐丹直言，還是要解決設備的穩(wěn)定性，那些不能通過遠程解決的問題才是需要解決的難點。

本屆比賽結束后，作為主辦方之一，拼多多鼓勵獲獎團隊進一步完善農研成果，把技術方案應用到廣袤的田間地頭，讓青年科學家的聰明才智與時代的需求結合起來，助力農戶增收與鄉(xiāng)村振興。

首屆“多多農研科技大賽”獲獎團隊“智多莓”就在比賽過程中看到技術產品化的市場前景，從而決定成立“智多莓”公司，幫助中小種植者提升效益。目前，“智多莓”已形成智能灌溉、智能溫室環(huán)控等硬件、軟件、算法產品，截至今年一季度已在遼寧、云南、安徽、內蒙古、上海、北京等地輸出40套系統(tǒng)，用于輔助草莓、藍莓生產。

在鄉(xiāng)村振興重點幫扶地云南省怒江州老窩村，“智多莓”為當?shù)卮罱〝?shù)字化草莓生產體系，使得老窩村草莓產業(yè)常用工成本下降30%以上，包括肥料支出減少2500元/畝、植保支出減少1000元/畝，草莓產量增加30%，有效助力了當?shù)氐霓r民增收與產業(yè)發(fā)展。

“拼多多連續(xù)舉辦了三屆‘多多農研科技大賽’，我們希望借此促進農業(yè)領域的技術交流、創(chuàng)新和發(fā)展，推動我國農業(yè)技術的高質量發(fā)展。”王堅認為，這一賽事可以吸引更多的青年農業(yè)創(chuàng)新人才和優(yōu)秀的現(xiàn)代農業(yè)企業(yè)參與農業(yè)領域的科技創(chuàng)新，還可以促進農業(yè)科技成果的轉化和應用，提高農業(yè)生產的效益和競爭力，為農業(yè)高質量發(fā)展提供有力支持。