如何将一只20尺的标准集装箱改造成产量高、品质好、能耗少、成本低的植物工厂？近日，在2024光明多多垂直农业挑战赛暨第四届“多多农研科技大赛”的初赛现场，16支参赛队伍、142位不同学科背景的国内外青年专家通过线上路演、答辩的方式展示、较量各自精心准备的“施工图纸”与种植方案。
经过激烈角逐，最终，赛博农人队(Cyberfarmer)、上海农科院植物工厂队、墨泉队、叶菜侠队(Leafyman)、绿叶先锋队、室墨司源队6支队伍成功闯入决赛，其中既有往届“多多农研科技大赛”的获奖团队，也有不少首次参赛但种植经验丰富的新面孔。部分团队还拥有来自法国、加拿大等地的外籍科研力量。由于初赛团队整体水平较高，为探讨植物工厂建设、生产的更多可能性，本届大赛将决赛晋级团队从4支增加至6支。
▲2024光明多多垂直农业挑战赛暨第四届“多多农研科技大赛”。
“国内相关企业和归国优秀团队积极参与，把国际先进技术与理念引入国内植物工厂建设。”本届大赛评委、中国工程院院士、国家农业信息化工程技术研究中心主任赵春江表示，赛事吸引了浙江大学、中国农业大学、上海交通大学等985名校的研究力量踊跃参与，知名科研院所如北京市农林科学院国家农业智能装备技术研究中心也组队参加。“参赛队伍的方案基本都实现了计算机、农业工程、设施园艺等多学科交叉融合。”
按照赛制，6支晋级队伍下一步将根据各自的方案，改建集装箱，开展AI种植。赛事选定的种植品种是日本植物工厂常见的生菜“优雅”。“生菜是植物工厂的模式植物。”大赛评委、中国农业大学水利与土木工程学院教授贺冬仙表示，“期待参赛团队能与代表行业先进水平的日本植物工厂在生产与能效上一竞高低。”
2024光明多多垂直农业挑战赛初赛比赛现场。
“比赛不仅要比拼水培生菜AI种植，还要较量集装箱式植物工厂的制造水平，从系统设计、装备制造、安装调试能力、种植水平等方面进行全方位技能考核，全面体现了工学、农学乃至商学的学科交叉与跨界融合。”贺冬仙表示。
全球不同技术流派同台竞技
这是光明多多垂直农业挑战赛第二次比拼集装箱种生菜。去年，参赛队伍在已配备硬件模块设施的集装箱内展开生菜增产降能的比拼。今年的赛事难度升级，首次将集装箱改装设计方案与建设成本纳入比赛内容。
目前，世界各国对集装箱式植物工厂的构造设计并未形成统一范式，较为主流的构造形式包括日本的层架式、新加坡和加拿大的旋转式、美国的垂直式等，各有优势。其中，日本层架式栽培架的应用较为广泛。
国内市场上已投入使用的集装箱式植物工厂。
来自上海交通大学的室墨司源队便在日本层架式栽培架的基础上进行创新——让栽培架移动起来。该团队引入动态导轨结构，在空间不变的情况下，栽培架从常规的两排变为三排，种植面积可以提升130%。
此外，通过在栽培架上设置高度可调节的灯板，可根据生菜长势远程调整光源高度，匹配不同生长周期，防止生菜灼伤。“用目前的方案再种一遍去年的‘翠恬’生菜，理想状态的年均产能可提升2-3倍。”曾参与上一届比赛的室墨司源队队长熊元科表示。
除了优化后的“日式”设计，“加拿大流派”的方案也赚足评委眼球。墨泉队是一支国际化团队，队长秦楚汉毕业于加拿大的西安大略大学，如今专注于将农业自动化技术应用到莓果、叶菜、牧草、中药材等作物种植中，拥有植物工厂设计、搭建的丰富经验，其队员包括加拿大最大组培克隆公司CannTx生命科学创始人巴克·杨(Buck Young)。
通过引入加拿大的旋转式栽培理念，墨泉队让栽培架可以如工厂流水线般移动——所有种植槽通过传输链条形成闭合大环，共享一套灌溉系统。
据秦楚汉介绍，旋转式设计在空间利用、成本降低、蔬菜品质、局部气候改善上均有优势。“首先，动态环境使蔬菜生长更加稳定，避免局部温度过高等情况，降低整体散热能耗和成本；其次，每个种植槽均会旋转至管理人员面前，可节省走廊空间，增加栽培空间；再者，在种植槽不断移动的小幅抖动中，水肥利用率得以提升，同时刺激生菜生长。”
此外，硒绿仙子队采用的立体管架加合金支架的结构亦别具一格。为改变传统水培带来的蔬菜生长空间有限、受光不均、易烂根等问题，该团队使用多层管道加合金支架的设计，“合金支架可显著降低用材成本，且PVC管架回收率高，可模块化再利用；相较盘架，管架为生菜留足了生长空间，受光更均匀。此外，由于管架可调节倾斜角度，在防止烂根的同时也提高了水肥利用率。”团队成员刘宇杰表示。
在贺冬仙看来，参赛队伍对植物工厂的生产与能源效率都有很强的认知，在系统设计阶段便提出效率与效益的目标，将技术研发与产业化实践紧密相连，是本届比赛的一大亮点。
“尽管植物工厂使农业生产摆脱了对自然环境的依赖，但倘若建设、运营成本昂贵，所产蔬果无法走入寻常百姓家，那农业‘靠天吃饭’的现状便不会改变。这也是我们连续举办多多农研科技大赛的原因，希望面向农业发展的实际痛点、难点，广泛集结一线青年科学家，利用最前沿的农业、生物科学等技术攻坚克难。”拼多多高级副总裁、首席发展官朱政表示。
“学院派”对阵“产业派”
与往届相比，本次比赛探索解决植物工厂产业化过程中的难点，吸引了更多“产业派”队伍的加盟。为期两天的初赛中，人工智能绿色农人队、叶菜侠队、河北普兰特生物科技有限公司队、墨泉队等由现代农业企业牵头的队伍展现了出色水准。其中，叶菜侠队、墨泉队挺进决赛。
▲本次比赛种植的生菜品种“优雅”。
叶菜侠队的核心成员来自农业高科技企业叶菜侠，该企业目前已在韩国、俄罗斯等7个国家落地植物工厂项目。队长解晓巍大胆提出，植物工厂所使用的集装箱可用快速装配房替换，“疫情期间，大量方舱就以快装房模式建造而成。其造价大约每个1万-1.5万元，比起每个6万-7万元的标准集装箱，投建成本低，且不影响运行。”
除了把造价降下来，还有企业队带来了创新的节能方案。墨泉队提出，在种植环境保持合适温、湿度的前提下，在植物灯中集成液冷系统，将多余热量及时导入收集管道，可以在夏季将废热排到室外以降低制冷能耗，在冬季导入地暖、墙暖系统实现能量循环利用。这一“液冷系统环控方案”引得多名评委期待落地效果。
“产业派”实力强劲，“学院派”的表现同样可圈可点。例如，绿叶先锋队所依托的北京市农林科学院国家农业智能装备技术研究中心，承担了多项国家重点研发计划项目，在光热环控和精准感知领域有着深入研究。决赛期间，该团队将采用自主设计的叶菜专用LED生长光源，光源成本和能耗均预计可降低20%。
上届“多多农研科技大赛”一等奖获得者上海农科院植物工厂队此次带来了两套集装箱设计方案，其中，方案一通过优化风道、风管布局，节省纵向空间，可搭建更高层数的种植架。“方案一可实现种植面积拓展至34.8㎡，高于行业平均水平。”团队成员苗辰表示。
而多次参赛并屡获佳绩的赛博农人队准备采用基于卷积神经网络的生态图像识别，自动学习图像特征，更加精准地判断植物生长状态。“这为三次分栽、分阶段调控光环境提供了决策依据。”队长杨浩表示，团队将应用基于冠层覆盖度的生菜分栽工艺，通过三次分栽，提升水培生菜的光能利用率，进而提升产量。
“本次比赛通过集装箱设计建设和现场种植实验等方式，让跨学科团队直面实际种植生产问题。不仅展现了参赛团队的设计和实践能力，也使团队更好地理解和解决实际生产中的挑战和难题，从而为行业的可持续发展提供更具针对性的解决方案。”上海花卉园艺(集团)有限公司光明花博邨总经理袁伟表示。
“学院派”和“产业派”的对决，究竟谁能更胜一筹？贺冬仙认为，墨泉队与叶菜侠队的实战经验为本次大赛增加了浓厚的产业色彩，上海农科院植物工厂队和赛博农人队作为上届比赛的第一和第二名再次晋级决赛，绿叶先锋队和室墨司源队则展现了优秀的技术方案和生产效率预估。“产学研用齐上阵，植物工厂桂落谁家，值得期待”。