如何將一只20尺的標準集裝箱改造成產量高、品質好、能耗少、成本低的植物工廠？近日，在2024光明多多垂直農業挑戰賽暨第四屆“多多農研科技大賽”的初賽現場，16支參賽隊伍、142位不同學科背景的國內外青年專家通過線上路演、答辯的方式展示、較量各自精心準備的“施工圖紙”與種植方案。
經過激烈角逐，最終，賽博農人隊（Cyberfarmer）、上海農科院植物工廠隊、墨泉隊、葉菜俠隊（Leafyman）、綠葉先鋒隊、室墨司源隊6支隊伍成功闖入決賽，其中既有往屆“多多農研科技大賽”的獲獎團隊，也有不少首次參賽但種植經驗豐富的新面孔。部分團隊還擁有來自法國、加拿大等地的外籍科研力量。由于初賽團隊整體水平較高，為探討植物工廠建設、生產的更多可能性，本屆大賽將決賽晉級團隊從4支增加至6支。
△2024光明多多垂直農業挑戰賽暨第四屆“多多農研科技大賽”。
“國內相關企業和歸國優秀團隊積極參與，把國際先進技術與理念引入國內植物工廠建設。”本屆大賽評委、中國工程院院士、國家農業信息化工程技術研究中心主任趙春江表示，賽事吸引了浙江大學、中國農業大學、上海交通大學等985名校的研究力量踴躍參與，知名科研院所如北京市農林科學院國家農業智能裝備技術研究中心也組隊參加。“參賽隊伍的方案基本都實現了計算機、農業工程、設施園藝等多學科交叉融合。”
按照賽制，6支晉級隊伍下一步將根據各自的方案，改建集裝箱，開展AI種植。賽事選定的種植品種是日本植物工廠常見的生菜“優雅”。“生菜是植物工廠的模式植物。”大賽評委、中國農業大學水利與土木工程學院教授賀冬仙表示，“期待參賽團隊能與代表行業先進水平的日本植物工廠在生產與能效上一競高低。”
△2024光明多多垂直農業挑戰賽初賽比賽現場。
“比賽不僅要比拼水培生菜AI種植，還要較量集裝箱式植物工廠的制造水平，從系統設計、裝備制造、安裝調試能力、種植水平等方面進行全方位技能考核，全面體現了工學、農學乃至商學的學科交叉與跨界融合。”賀冬仙表示。
全球不同技術流派同臺競技
這是光明多多垂直農業挑戰賽第二次比拼集裝箱種生菜。去年，參賽隊伍在已配備硬件模塊設施的集裝箱內展開生菜增產降能的比拼。今年的賽事難度升級，首次將集裝箱改裝設計方案與建設成本納入比賽內容。
目前，世界各國對集裝箱式植物工廠的構造設計并未形成統一范式，較為主流的構造形式包括日本的層架式、新加坡和加拿大的旋轉式、美國的垂直式等，各有優勢。其中，日本層架式栽培架的應用較為廣泛。
△國內市場上已投入使用的集裝箱式植物工廠。 莫斯提｜攝
來自上海交通大學的室墨司源隊便在日本層架式栽培架的基礎上進行創新——讓栽培架移動起來。該團隊引入動態導軌結構，在空間不變的情況下，栽培架從常規的兩排變為三排，種植面積可以提升130%。
此外，通過在栽培架上設置高度可調節的燈板，可根據生菜長勢遠程調整光源高度，匹配不同生長周期，防止生菜灼傷。“用目前的方案再種一遍去年的‘翠恬’生菜，理想狀態的年均產能可提升2-3倍。”曾參與上一屆比賽的室墨司源隊隊長熊元科表示。
除了優化后的“日式”設計，“加拿大流派”的方案也賺足評委眼球。墨泉隊是一支國際化團隊，隊長秦楚漢畢業于加拿大的西安大略大學，如今專注于將農業自動化技術應用到莓果、葉菜、牧草、中藥材等作物種植中，擁有植物工廠設計、搭建的豐富經驗。
通過引入加拿大的旋轉式栽培理念，墨泉隊讓栽培架可以如工廠流水線般移動——所有種植槽通過傳輸鏈條形成閉合大環，共享一套灌溉系統。
據秦楚漢介紹，旋轉式設計在空間利用、成本降低、蔬菜品質、局部氣候改善上均有優勢。“首先，動態環境使蔬菜生長更加穩定，避免局部溫度過高等情況，降低整體散熱能耗和成本；其次，每個種植槽均會旋轉至管理人員面前，可節省走廊空間，增加栽培空間；再者，在種植槽不斷移動的小幅抖動中，水肥利用率得以提升，同時刺激生菜生長。”
此外，硒綠仙子隊采用的立體管架加合金支架的結構亦別具一格。為改變傳統水培帶來的蔬菜生長空間有限、受光不均、易爛根等問題，該團隊使用多層管道加合金支架的設計，“合金支架可顯著降低用材成本，且PVC管架回收率高，可模塊化再利用；相較盤架，管架為生菜留足了生長空間，受光更均勻。此外，由于管架可調節傾斜角度，在防止爛根的同時也提高了水肥利用率。”團隊成員劉宇杰表示。
在賀冬仙看來，參賽隊伍對植物工廠的生產與能源效率都有很強的認知，在系統設計階段便提出效率與效益的目標，將技術研發與產業化實踐緊密相連，是本屆比賽的一大亮點。
“盡管植物工廠使農業生產擺脫了對自然環境的依賴，但倘若建設、運營成本昂貴，所產蔬果無法走入尋常百姓家，那農業‘靠天吃飯’的現狀便不會改變。這也是我們連續舉辦多多農研科技大賽的原因，希望面向農業發展的實際痛點、難點，廣泛集結一線青年科學家，利用最前沿的農業、生物科學等技術攻堅克難。”拼多多高級副總裁、首席發展官朱政表示。
“學院派”對陣“產業派”
與往屆相比，本次比賽探索解決植物工廠產業化過程中的難點，吸引了更多“產業派”隊伍的加盟。為期兩天的初賽中，人工智能綠色農人隊、葉菜俠隊、河北普蘭特生物科技有限公司隊、墨泉隊等由現代農業企業牽頭的隊伍展現了出色水準。其中，葉菜俠隊、墨泉隊挺進決賽。
△本次比賽種植的生菜品種“優雅”。 莫斯提｜攝
葉菜俠隊的核心成員來自農業高科技企業葉菜俠，該企業目前已在韓國、俄羅斯等7個國家落地植物工廠項目。隊長解曉巍大膽提出，植物工廠所使用的集裝箱可用快速裝配房替換，“疫情期間，大量方艙就以快裝房模式建造而成。其造價大約每個1萬-1.5萬元，比起每個6萬-7萬元的標準集裝箱，投建成本低，且不影響運行。”
除了把造價降下來，還有企業隊帶來了創新的節能方案。墨泉隊提出，在種植環境保持合適溫、濕度的前提下，在植物燈中集成液冷系統，將多余熱量及時導入收集管道，可以在夏季將廢熱排到室外以降低制冷能耗，在冬季導入地暖、墻暖系統實現能量循環利用。這一“液冷系統環控方案”引得多名評委期待落地效果。
“產業派”實力強勁，“學院派”的表現同樣可圈可點。例如，綠葉先鋒隊所依托的北京市農林科學院國家農業智能裝備技術研究中心，承擔了多項國家重點研發計劃項目，在光熱環控和精準感知領域有著深入研究。決賽期間，該團隊將采用自主設計的葉菜專用LED生長光源，光源成本和能耗均預計可降低20%。
上屆“多多農研科技大賽”一等獎獲得者上海農科院植物工廠隊此次帶來了兩套集裝箱設計方案，其中，方案一通過優化風道、風管布局，節省縱向空間，可搭建更高層數的種植架。“方案一可實現種植面積拓展至34.8㎡，高于行業平均水平。”團隊成員苗辰表示。
而多次參賽并屢獲佳績的賽博農人隊準備采用基于卷積神經網絡的生態圖像識別，自動學習圖像特征，更加精準地判斷植物生長狀態。“這為三次分栽、分階段調控光環境提供了決策依據。”隊長楊浩表示，團隊將應用基于冠層覆蓋度的生菜分栽工藝，通過三次分栽，提升水培生菜的光能利用率，進而提升產量。
“本次比賽通過集裝箱設計建設和現場種植實驗等方式，讓跨學科團隊直面實際種植生產問題。不僅展現了參賽團隊的設計和實踐能力，也使團隊更好地理解和解決實際生產中的挑戰和難題，從而為行業的可持續發展提供更具針對性的解決方案。”上海花卉園藝（集團）有限公司光明花博邨總經理袁偉表示。
“學院派”和“產業派”的對決，究竟誰能更勝一籌？賀冬仙認為，墨泉隊與葉菜俠隊的實戰經驗為本次大賽增加了濃厚的產業色彩，上海農科院植物工廠隊和賽博農人隊作為上屆比賽的第一和第二名再次晉級決賽，綠葉先鋒隊和室墨司源隊則展現了優秀的技術方案和生產效率預估。“產學研用齊上陣，植物工廠桂落誰家，值得期待”。
