2023-03-13 09:19:46
澆水不濕手，種菜不下田，豐收不問天——這些充滿“不可能”和“混搭感”的場景，如何變得“合情合理”？
答案是：用AI（人工智能）種菜！
在溫光水氣肥高度可控的植物工廠內，草莓、番茄、生菜曬著最適宜生長的人工光、喝著最“對胃口”的營養(yǎng)液，種菜人不必親臨現(xiàn)場，通過深度相機、電子傳感系統(tǒng)等便能與植物“在線相見”，再根據(jù)植物實際長勢和算法模型，像“炒股”一樣，在操作系統(tǒng)中調控溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等，讓植物哪怕外界嚴寒酷暑、刮風下雨，都能獲得適宜的生長環(huán)境。
“隨著農業(yè)傳感器、機器視覺、知識圖譜、決策模型等技術的快速發(fā)展，AI在農業(yè)上的應用正在鋪開?！比珖舜蟠?、中國工程院院士、中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所首席研究員印遇龍說，“智能技術手段可以改善農民的工作條件，徹底顛覆傳統(tǒng)的農作方式，代表了未來農業(yè)的發(fā)展方向?！?/p>
未來已來。
人能與植物對話
鄭建鋒是一名“90后”，在中國農業(yè)大學度過了本科、碩士、博士時光，如今在該校農業(yè)農村部設施農業(yè)工程重點實驗室從事博士后研究。
你猜，他的專業(yè)課有哪些？
“我們要學農業(yè)建筑學，類似于土建專業(yè)，因為涉及蓋溫室；要學植物學、作物栽培學與耕作學，植物生理、無土栽培都會涉及；農作物生長所需的溫光水氣肥，每一個環(huán)境因子都是一個學科方向，比如傳熱學、光生物學、水利科學、流體力學、營養(yǎng)液管理，等等?！编嵔ㄤh介紹，“隨著農業(yè)科技的發(fā)展，我們專業(yè)也在與時俱進，加入了大數(shù)據(jù)、云計算、編程、單片機等課程。”
為什么研究種菜，也需要學習編程？
靠天吃飯，一句話道出農業(yè)生產對環(huán)境的依賴。而農業(yè)發(fā)展的方向，就在于通過調控和改善生物生長環(huán)境，使動植物、微生物的生長向著對人類有利、滿足人類需求的方向發(fā)展，使農業(yè)產量、品質更加穩(wěn)定可控。而當我們能通過AI調節(jié)溫光水氣肥，通過算法模型輔助種植養(yǎng)殖策略，就相當于給了動植物適宜不同生長階段的“智能太陽”“貼心食糧”“及時雨”……
智能裝備和技術，也將成為“新農具”。
眼下，鄭建鋒正帶著實驗室另外5位師弟師妹，參加拼多多和光明母港攜手舉辦的第三屆“多多農研科技大賽”。比賽規(guī)則頗為新穎：4支入圍決賽的隊伍，在同一規(guī)格的集裝箱植物工廠內，“遠程”種植同一品種的生菜，90天后，產量高、能耗低、品質好、算法優(yōu)者便告獲勝。
由于生長在集裝箱內，這些生菜“不見天日”，但參賽者通過調節(jié)紅黃藍光光譜、形成“光配方”，可以讓生菜“吃飽喝足”、茁壯成長。“這是國內首次舉辦完全人工光型植物工廠種植比賽，甚至在國際上也尚屬少見。”多多農研項目負責人說。
操作方式也很新奇，不濕手也不沾泥，參賽者只需在遠程控制系統(tǒng)中調整各項設置，便能遙控集裝箱內部環(huán)境。
研究視覺模型的、負責營養(yǎng)液調配的、主管生長和生理信息檢測的、設計植物巡檢機器人的……“大師兄”鄭建鋒組的這支隊伍，人人獨當一面，合起來便很“全面”。
“我們的參賽策略，就是‘與植物對話’，它之所需，我之所予。”鄭建鋒說。
通過立體成像的深度相機，逐日采集生菜的生長和生理數(shù)據(jù)，除了能更精確地測量個頭變化，還能通過每天吸收的二氧化碳量，測算它的光合速度。
“‘與植物對話’本質上是一套智能環(huán)控系統(tǒng)，通過采集分析植物的生長和生理信息，我們就了解了植物；再通過模型比對和預測，就知道了它的長勢快慢、生理需求，從而判斷下一步要給它什么樣的環(huán)境條件，看營養(yǎng)液該怎么配比、光配方該怎么調整、該多給點水還是少升點溫，輔助種植決策?！标爢T楊浩說。
在南極也能種菜
由上海市農業(yè)科學院園藝所及信息所的青年專家何立中、王虹、錢婷婷等6人組成的另一支參賽隊伍，有一個亮眼標簽——曾指導我國科考隊員在南極種植蔬菜。
南極極端惡劣的環(huán)境，以及極晝極夜過渡的特殊情況，讓“吃上新鮮蔬菜”長期以來成為科考隊員們遙不可及的夢。而這個夢，幾年前成真了。
2014年、2015年，南極長城站、中山站相繼建成溫室。由于駐站人員多為科學家、醫(yī)生等，鮮有種植經驗，國家設施農業(yè)工程技術研究中心在上海崇明基地1：1建造了模擬溫室，何立中等蔬菜學或園藝學博士在南極仿真條件下，教科考隊員如何在極地種菜。
“種什么菜、怎么能種得好，都要根據(jù)極地不斷變化的情況，動態(tài)調整種植策略、種植方案。我們會選好種子，分門別類配好肥料，讓科考隊員帶著出發(fā)?！焙瘟⒅姓f。
在南極溫室，駐站人員遇到種植難題，也會將蔬菜圖像及生長數(shù)據(jù)傳回崇明溫室內，由何立中等人診斷分析，提供“保姆式”指導。
得益于這種不受外界影響、環(huán)境因子可控的植物工廠種植模式，身處“生命禁區(qū)”的科研工作者，也吃上了番茄、黃瓜、茄子、青菜，成功收獲過西瓜、草莓，還“點過菜”，請專家們指導種植營養(yǎng)豐富、采收周期短的西藍花芽苗菜。
集裝箱也好，南極溫室也好，都屬于立體植物工廠，像超市貨架般一層層、“肩并肩”地種植植物。把農業(yè)“豎”起來，可以增加單位面積的種植收益，也折射出植物工廠的“天生追求”——降本增效。
植物工廠的成本，主要在能耗、人工和設備折舊三方面，其中，為植物生長提供光照、溫度的電能成本占大頭，這也就成了降成本的重點。
“比如一個葉片，它截獲了多少微摩爾的光，光又讓它產生多少毫克的糖，糖再轉化成多少毫克的淀粉，這中間的轉化過程就是它的機理，我們通過數(shù)學方式把機理過程描述出來，就形成了植物生理模型?！卞X婷婷說，“能不能投入更少的光產出更多的生物量，提高光能利用效率，把耗電量壓減下來，是團隊技術水平的重要體現(xiàn)?！?/p>
相對于大田種植，目前植物工廠的種植成本還是較高，所以更適合種植生長發(fā)育較快、附加值高的植物，比如高品質水果、藥用植物。
“由于植物工廠的環(huán)境封閉，外界病蟲害進不來，所以沒必要打農藥；并且，由于生產過程可控，可以人工調節(jié)營養(yǎng)成分，生產適合老年人、孕產婦、嬰幼兒、腎病患者等有特殊需求人群的蔬菜?！蓖鹾缯J為，安全、高品質是植物工廠種植模式的優(yōu)勢所在。
新農人的變與不變
“這些用AI種菜的青年專家、‘90后’博士是典型的‘智慧新農人’。他們理念先進、創(chuàng)新意識強、有知識有夢想，能起到很好的引領作用，助推我國農業(yè)現(xiàn)代化插上科技的翅膀?！比珖f(xié)委員、中國工程院院士、湖南省農業(yè)科學院院長單楊說。
科研院所、實驗田間，一批批專家學者、博士碩士正研究如何種菜，而當他們取得研究成果、探出一條新路交給農民時，農業(yè)生產的門檻就會越來越低，前景越來越廣。
“智能環(huán)控是一種通用技術，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、深度學習等技術以及傳感器等設備性能的進步，AI種菜會越來越靠譜，能自己制定和調整種植策略，使用起來更加便捷?！编嵔ㄤh說，現(xiàn)在已經出現(xiàn)了微型人工氣候箱，能滿足都市人“陽臺種菜”的需求。
不再“靠天吃飯”，那么祖祖輩輩口傳心授的“四時歌”、經驗之談，就不再有價值了嗎？
幾位新農人異口同聲地否認。
“我們的模型就是基于數(shù)據(jù)、基于經驗構建的，很多老農憑經驗就能把地種得很好，我們研究的就是這種經驗背后的機理，經驗也是AI學習的養(yǎng)料?！卞X婷婷解釋。
現(xiàn)階段，AI可以成為農業(yè)生產強有力的輔助，但遠不足以替代人?！耙粋€懂算法、懂互聯(lián)網(wǎng)技術的人，再加上一個有經驗的農民，制作出來的設備或模型應該會很有優(yōu)勢?！编嵔ㄤh說。
如果給未來的農民畫像，應該是什么樣？
“未來，農民應該會成為一種時尚的職業(yè)，可以不下田，只需要在手機上操作，用數(shù)字化方式遙控多種智能裝備從事農業(yè)生產。農民本人也并不一定要有農業(yè)專業(yè)背景，因為智慧農業(yè)的應用里面應當包含專家系統(tǒng)，遇到問題，相應的專家團隊能夠快速在線解決?！鄙虾Ｊ修r業(yè)科學院副院長趙志輝說，“雖然農民本人就是在線操作、按按鈕，但他并不是流水線上的工人，而更像是工廠車間的生產經理，每個環(huán)節(jié)都可以找到最專業(yè)最合適的人來做，他扮演生產管理者的角色。”
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