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(nèi)，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(jī)、電子傳感系統(tǒng)等便能與植物“在線相見”，再根據(jù)植物實(shí)際長勢和算法模型，像“炒股”一樣，在操作系統(tǒng)中調(diào)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(yán)寒酷暑、刮風(fēng)下雨，都能獲得適宜的生長環(huán)境。
“隨著農(nóng)業(yè)傳感器、機(jī)器視覺、知識(shí)圖譜、決策模型等技術(shù)的快速發(fā)展，AI在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用正在鋪開?！比珖舜蟠?、中國工程院院士、中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所首席研究員印遇龍說，“智能技術(shù)手段可以改善農(nóng)民的工作條件，徹底顛覆傳統(tǒng)的農(nóng)作方式，代表了未來農(nóng)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(nóng)業(yè)大學(xué)度過了本科、碩士、博士時(shí)光，如今在該校農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從事博士后研究。
你猜，他的專業(yè)課有哪些？
“我們要學(xué)農(nóng)業(yè)建筑學(xué)，類似于土建專業(yè)，因?yàn)樯婕吧w溫室；要學(xué)植物學(xué)、作物栽培學(xué)與耕作學(xué)，植物生理、無土栽培都會(huì)涉及；農(nóng)作物生長所需的溫光水氣肥，每一個(gè)環(huán)境因子都是一個(gè)學(xué)科方向，比如傳熱學(xué)、光生物學(xué)、水利科學(xué)、流體力學(xué)、營養(yǎng)液管理，等等?！编嵔ㄤh介紹，“隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，我們專業(yè)也在與時(shí)俱進(jìn)，加入了大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、編程、單片機(jī)等課程?！?/p>
為什么研究種菜，也需要學(xué)習(xí)編程？
靠天吃飯，一句話道出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的依賴。而農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向，就在于通過調(diào)控和改善生物生長環(huán)境，使動(dòng)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(nóng)業(yè)產(chǎn)量、品質(zhì)更加穩(wěn)定可控。而當(dāng)我們能通過AI調(diào)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(dāng)于給了動(dòng)植物適宜不同生長階段的“智能太陽”“貼心食糧”“及時(shí)雨”……
智能裝備和技術(shù)，也將成為“新農(nóng)具”。
眼下，鄭建鋒正帶著實(shí)驗(yàn)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(nóng)研科技大賽”。比賽規(guī)則頗為新穎：4支入圍決賽的隊(duì)伍，在同一規(guī)格的集裝箱植物工廠內(nèi)，“遠(yuǎn)程”種植同一品種的生菜，90天后，產(chǎn)量高、能耗低、品質(zhì)好、算法優(yōu)者便告獲勝。
由于生長在集裝箱內(nèi)，這些生菜“不見天日”，但參賽者通過調(diào)節(jié)紅黃藍(lán)光光譜、形成“光配方”，可以讓生菜“吃飽喝足”、茁壯成長?！斑@是國內(nèi)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(nóng)研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人說。
操作方式也很新奇，不濕手也不沾泥，參賽者只需在遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中調(diào)整各項(xiàng)設(shè)置，便能遙控集裝箱內(nèi)部環(huán)境。
研究視覺模型的、負(fù)責(zé)營養(yǎng)液調(diào)配的、主管生長和生理信息檢測的、設(shè)計(jì)植物巡檢機(jī)器人的……“大師兄”鄭建鋒組的這支隊(duì)伍，人人獨(dú)當(dāng)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?！编嵔ㄤh說。
通過立體成像的深度相機(jī)，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(gè)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(zhì)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(yù)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(diào)整、該多給點(diǎn)水還是少升點(diǎn)溫，輔助種植決策?！标?duì)員楊浩說。
在南極也能種菜
由上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)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(duì)伍，有一個(gè)亮眼標(biāo)簽——曾指導(dǎo)我國科考隊(duì)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(duì)員們遙不可及的夢。而這個(gè)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(xué)家、醫(yī)生等，鮮有種植經(jīng)驗(yàn)，國家設(shè)施農(nóng)業(yè)工程技術(shù)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(xué)或園藝學(xué)博士在南極仿真條件下，教科考隊(duì)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(dòng)態(tài)調(diào)整種植策略、種植方案。我們會(huì)選好種子，分門別類配好肥料，讓科考隊(duì)員帶著出發(fā)。”何立中說。
在南極溫室，駐站人員遇到種植難題，也會(huì)將蔬菜圖像及生長數(shù)據(jù)傳回崇明溫室內(nèi)，由何立中等人診斷分析，提供“保姆式”指導(dǎo)。
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(diǎn)過菜”，請專家們指導(dǎo)種植營養(yǎng)豐富、采收周期短的西藍(lán)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(nóng)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(shè)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(diǎn)。
“比如一個(gè)葉片，它截獲了多少微摩爾的光，光又讓它產(chǎn)生多少毫克的糖，糖再轉(zhuǎn)化成多少毫克的淀粉，這中間的轉(zhuǎn)化過程就是它的機(jī)理，我們通過數(shù)學(xué)方式把機(jī)理過程描述出來，就形成了植物生理模型。”錢婷婷說，“能不能投入更少的光產(chǎn)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(tuán)隊(duì)技術(shù)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(zhì)水果、藥用植物。
“由于植物工廠的環(huán)境封閉，外界病蟲害進(jìn)不來，所以沒必要打農(nóng)藥；并且，由于生產(chǎn)過程可控，可以人工調(diào)節(jié)營養(yǎng)成分，生產(chǎn)適合老年人、孕產(chǎn)婦、嬰幼兒、腎病患者等有特殊需求人群的蔬菜。”王虹認(rèn)為，安全、高品質(zhì)是植物工廠種植模式的優(yōu)勢所在。
新農(nóng)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(nóng)人’。他們理念先進(jìn)、創(chuàng)新意識(shí)強(qiáng)、有知識(shí)有夢想，能起到很好的引領(lǐng)作用，助推我國農(nóng)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(nóng)業(yè)科學(xué)院院長單楊說。
科研院所、實(shí)驗(yàn)田間，一批批專家學(xué)者、博士碩士正研究如何種菜，而當(dāng)他們?nèi)〉醚芯砍晒?、探出一條新路交給農(nóng)民時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的門檻就會(huì)越來越低，前景越來越廣。
“智能環(huán)控是一種通用技術(shù)，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)以及傳感器等設(shè)備性能的進(jìn)步，AI種菜會(huì)越來越靠譜，能自己制定和調(diào)整種植策略，使用起來更加便捷?！编嵔ㄤh說，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了微型人工氣候箱，能滿足都市人“陽臺(tái)種菜”的需求。
不再“靠天吃飯”，那么祖祖輩輩口傳心授的“四時(shí)歌”、經(jīng)驗(yàn)之談，就不再有價(jià)值了嗎？
幾位新農(nóng)人異口同聲地否認(rèn)。
“我們的模型就是基于數(shù)據(jù)、基于經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的，很多老農(nóng)憑經(jīng)驗(yàn)就能把地種得很好，我們研究的就是這種經(jīng)驗(yàn)背后的機(jī)理，經(jīng)驗(yàn)也是AI學(xué)習(xí)的養(yǎng)料?！卞X婷婷解釋。
現(xiàn)階段，AI可以成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)有力的輔助，但遠(yuǎn)不足以替代人?！耙粋€(gè)懂算法、懂互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的人，再加上一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的農(nóng)民，制作出來的設(shè)備或模型應(yīng)該會(huì)很有優(yōu)勢?！编嵔ㄤh說。
如果給未來的農(nóng)民畫像，應(yīng)該是什么樣？
“未來，農(nóng)民應(yīng)該會(huì)成為一種時(shí)尚的職業(yè)，可以不下田，只需要在手機(jī)上操作，用數(shù)字化方式遙控多種智能裝備從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)民本人也并不一定要有農(nóng)業(yè)專業(yè)背景，因?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)的應(yīng)用里面應(yīng)當(dāng)包含專家系統(tǒng)，遇到問題，相應(yīng)的專家團(tuán)隊(duì)能夠快速在線解決。”上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院副院長趙志輝說，“雖然農(nóng)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(chǎn)經(jīng)理，每個(gè)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(chǎn)管理者的角色?！?/p>
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