垂直农场: 农业与工业的联姻,技术才是核心竞争力

发表于4月15日的一篇“走进垂直农场:城市才是未来食物的主要来源”引起了“DeepTech深科技”读者们的关注与讨论。有对未来农业的展望,有对垂直农业技术的可行性分析,虽然只是简短的几句评论,却体现了科技爱好者们专业的眼光和对国计民生的关注。

由于上一篇文章仅以举例的形式,简要分析了垂直农业领域颇具影响力的公司AeroFarms,资料与观点还不够丰满。目前在全球垂直农业领域的公司也至少有数百家,所以小编觉得很有必要对目前全球比较有代表性的垂直农场做一个简单梳理,包括了著名研究机构,如MIT媒体实验室,以几家私营公司,看看目前各个国家是如何因地制宜的应用技术优势、自然环境独特性来发展这种极具潜力的新农业技术。

MIT媒体实验室的“城市农场”

作为“城市科学计划”(City Science Initiative)的一部分,MIT媒体实验室于2013年在“农业2.0”的概念下提出了CityFARM项目,希望利用工程学、大数据与互联网技术重新塑造未来的农业。最近,CityFARM的相关数据、算法、资料也已开源,研究小组希望他们的算法能应用在世界上其他地方,来提高当地垂直农业的效率。

乘电梯到达MIT媒体实验室五楼,一眼就能看到一个玻璃搭建的房间,里面种植着西兰花、草莓、西红柿、莴苣、胡椒等植物,还有电子计时器、喷雾水泵等设备。这里就是CityFARM的原型实验室。“这将是未来农业非常重要的组成部分。”媒体实验室研究科学家加勒·哈珀(Caleb Harper)对该项目的前景感到非常兴奋。

MIT媒体实验室CityFARM项目

MIT媒体实验室CityFARM项目

哈珀计划开发了一个开源的数字化农作物成长系统,其关键技术被称为“食物计算”(Food Computing)。即通过自动控制系统创建一个可控环境以及可操纵的气候、能源和作物传感机制。传感器负责监测作物的生长条件,并根据预设的算法对光照、温度、湿度、二氧化碳水平、水循环以及养分供给进行微调。

MIT媒体实验室CityFARM项目

“虽然我们只是在这个7英尺(约2米)宽、30英尺(约9米)长的玻璃箱里种植作物,但我们可以很好的管理气候,同时监测一切数据。”哈珀说道。这里种植的作物每30天为一个循环周期,生长速度是正常状态下的3-4倍,每次收获大约可满足300人的需求。

CityFARM研究团队收获的蔬菜

CityFARM的研究人员们表示,这项技术能够开辟在室内仓库化环境下进行农业耕作的可能性,满足高密集度的城市生活,维护粮食安全,以应对未来气候的不确定性及生态系统的脆弱性。

其实该计划更大的野心在于推广室内农业,之所以将软件平台开源化,是希望种植者们在使用软件的同时,能将种植过程中的各种数据分享到网络上,比如光照、能耗、温度、营养液配比、二氧化碳水平、湿度控制等,从而进一步优化各种数据和算法。

MIT媒体实验室夜景,紫色LED照明处为CityFARM实验室

当然,在实验室内可以做到对植物生长过程中近乎所有指标的监控,但如果场景转移到了动辄数千平米的商业化垂直农场中,虽然基本技术原理相同,但实际运营起来就完全是另外一回事了。我们选择了几家来自日本、新加坡、美国的垂直农业领军企业,看看他们各自都在哪些技术点上进行突破。

日本:我们有机器人

龟冈市(Kameoka)是日本京都府西边的一个卫星城,这里的农民早在冬天来临前就收获完了所种植的大米。这片地方现在看来已经显得有些荒凉。虽然该市所处的地理位置还不至于太冷,但是温度的下降足以让农作物停止生长4-5个月。

而在Spread公司位于该市的室内农场里则是另一番景象:穿戴整洁的工作人员正有条不紊的将21,000颗莴苣装车运往日本各地,这些莴苣将在离开垂直农场后的24小时内被摆上餐桌或超市的货架。

这个垂直农场每天都在重复这个产量,全年莴苣产量能达到770万颗。

Spread垂直农场每天能收获21,000颗莴苣

Spread是日本目前最大的垂直农场,是现代农业与工业结合的产物。他们位于龟冈市的垂直农场目前只能产出四种不同的莴苣,但随着种植技术的改良,未来将可全年生产各种类型的绿叶蔬菜。

公司还有计划在2016年年底前,在木津川市(Kizugawa)建立一座全自动化垂直农场,占地有3,500平方公尺,并预计于2017年秋季迎来第一次收成,此后每天的莴苣产量将可增加到3万颗左右。

新农场与以往最大的不同,在于它将采用全自动化的农作系统,利用机器人来完成从播种到收割的全部流程,约可节省50%的人力成本。所使用的机器人将具备图像识别功能,通过对图像特征的识别来判断作物的成熟情况。机器人将极大提高生产效率,有望将目前莴苣的日产量从2.1万棵提高到3-5万棵。而且计划在5年内将日产量提高到50万棵。

另外,Spread也开发出蔬菜工厂专用的低成本LED光照系统。这些LED灯的耗电低、效率高,可节省约30%的电力开销。水耕(hydroponic)与气雾耕(aeroponic)技术能够将水资源的损失减少到最小。全新的回收、过滤、消毒系统,还可以将98%的废水回收再利用。

日本ShibuyaSeiki公司开发的草莓采摘机器人,利用图像识别技术判断草莓是否成熟。

新加坡:我们有阳光

垂直农业技术也在新加坡取得了巨大的成功,但所应用的技术完全不同。

新加坡国土面积只有710万平方公里,耕地面积仅为250英亩(约合1500亩)。以传统农业的方式基本不可能满足日益增长的人口。新加坡有超过90%的食品依靠进口,这对国家安全与稳定来说是个很大的问题。

由于人口密集、地价高昂,唯一能增加单位面积产量的方式只能是垂直化农业。

在新加坡农业食品与兽医局( Agri-Food and Veterinary Authority,AVA)的帮助下,工程师Jack Ng创立了Sky Greens公司,并开发了一种名为“A-Go-Gro”的种植技术。

使用“A-Go-Gro”技术的种植系统

这种名为“A-Go-Gro”的垂直种植系统,采用约6米高的A字形种植塔。这种种植技术的独特之处在于它并不使用LED模拟光照,而是直接通过阳光照射。每个种植塔包含22-26个种植槽,它们每秒1毫米的速度自下而上速缓慢旋转,来确保均匀的光照、气流与灌溉水平。

更精妙的是,旋转系统并不需要额外的电力来驱动,而是通过一套独特的水重力系统来实现。系统自动收集雨水,在为旋转提供动力后,这些水会被过滤,然后进入灌溉系统。因此这套系统绝对称得上是低碳设计,如果进行等量换算,“A-Go-Gro”垂直种植系统的能耗仅仅相当于一个60瓦的灯泡。

“A-Go-Gro”种植系统原理图

这套系统的农作物产量能达到传统农业的5倍,且能种植各种各样的蔬菜,比如卷心菜、莴苣、菜心、芥蓝、小白菜等。因为蔬菜完全以自然方式生长,其品质也相对较高。

当然,新加坡采用的这种无LED照明辅助的垂直农场有其特殊的前提条件,那就是该地区的日照非常充足。如果使用LED照明,就意味着电力成本的增加。毕竟,作为农作物,一旦种植成本不具有经济性,就很难与传统农业竞争。所以全球有很多大公司都在提高LED光照效率上下功夫,其中就包括通用电气公司和飞利浦公司。

美国:我们有LED

Green Sense Farms(GSF)位于美国芝加哥市区约40英里处。他们的室内农场是全球最大的LED照明垂直农场之一。这里一天24小时,全年365天无休止的种植作物,年产量可达到150万吨。

GreenSense Farms种植的莴苣与植物香料在新一代飞利浦LED照明下生长

他们的垂直农场占地30,000平方英尺(约合2,800平方米),同时为美国中西部地区的5个州提供新鲜蔬菜。GSF的每个温控室中都装备了7,000个飞利浦公司专门研发的GreenPower LED生产模组,这种照明模块专门为缺少光照的室内农场提供高效、节能的照明解决方案。

新一代的GreenPower LED生产模组功率降为23瓦(上一代为32瓦),但其同样拥有50微摩尔的光输出,不会降低作物的产量和质量。与荧光灯相比,该产品节能高达75%。GreenPower LED生产模组具有不同的光谱类型组合,不同颜色适用于植物的不同生长需要。在此基础上,还可以提供最佳“光配方”,即光质、光强、光照时间、光均匀度和光照位置的组合。这些光配方能够作用于特定的植物性状,例如紧实度、颜色深浅及侧枝发生,进而实现最优的作物产量和质量。

飞利浦公司的GreenPowerLED生产模组

随着能源技术的发展,LED将更节能。根据美国能源信息署(US Energy Information Administration)的一份报告,2012-2014年间,LED的效率提高了50%。到2020年,由于成本进一步降低,效率将再提高50%。

垂直农业看上去很美好,但问题也不少

科技巨头谷歌其实也有过这方面的尝试。2015年,谷歌母公司Alphabet停止了谷歌X实验室的100多个Moonshot项目,其中就包括自动化的垂直农场。

“在自动收割和提高光照效率等方面,我们取得了进展。但最终,我们无法以这种方式生产水稻和小麦等主要粮食作物,因此我们放弃了这一项目。如果有人能研究出植株较矮的水稻,请联系我们,因为这或许就是问题解决的关键。”谷歌X实验室负责人阿斯特罗·泰勒(Astro Teller)这样解释项目中止的原因。

谷歌X实验室的垂直农业实验

失败的案例不只有谷歌一家。创立于2011年的北美洲第一家垂直农业公司VertiCrop,也于2014年倒闭,究其原因,也是无法种植粮食作物。

不论是日本、新加坡,还是美国;不论是天然照明还是LED;不论是在城市地区,还是在偏远郊外,垂直农业所面临的三个最大问题是作物单一性,高昂的建设成本,以及高能耗带来的污染。

首先,并不是所有的植物都适合垂直种植。

目前适合的种类仅限于蔬菜、草药、水果和可食用的鲜花等。因为主要粮食作物的种植方法还没有被找到,垂直农业目前可能只是对传统农业的有效补充,而不是替代。

其次,垂直农业的成本和能耗始终居高不下。

据统计,垂直农业的成本非常高,一栋高质量的垂直农场可能需要数十亿美元。而且目前垂直农场的能源消耗很大,美国堪萨斯州土地研究所的研究人员认为,如果想利用垂直农业取代美国目前全年的小麦生产,仅照明需要的电量就是美国所有电站一年发电量的8倍。

第三,因为LED辅助型垂直农场要求LED照明系统24小时对作物进行照射,很多人也在担心垂直农业到底会消耗多少能源?根据美国康奈尔大学“可控环境农业计划”(Controlled Environment Agriculture program)主任路易斯·奥尔布赖特(Luis Albright)的说法,目前研究表明,大规模垂直农场由于消耗电能所间接产生的碳足迹(carbon footprint),是传统农业的10倍。

当然,生态学家迪克森·德斯波米尔((Dickson De-spommier)提出的“垂直农业摩天大楼”是一种理想状态。任何技术走向商业化,再迈向规模化,都有太多的问题需要一步步去解决,而并非一蹴而就。垂直农业的核心技术无土栽培虽然起源于二战末期,但真正的商业化应用也就是最近几年的事。

除了上述技术层面的问题,要推广垂直农业,还有其他的问题需要解决。比如在我国,土地政策和土地价格有其特殊性,如何定义商业用地与农业用地?重资本运作的垂直农场产出的作物是否具有经济性?传统农业从业者的利益如何保障?恐怕只有到技术与政策到走到某一契合点的时候,我们才能真正看清垂直农业未来发展的走向。

我们后续也将对此领域持续进行跟踪报道。我们敬爱的读者们如有任何建议和想法,也可随时通过微信和我们联系。

以下视频为MIT媒体实验室CityFARM专访:

【文/DeepTech深科技(mit-tr)

·氧分子网(http://www.yangfenzi.com)延伸阅读:

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