世界各地农业前景不容乐观。

日本农业缺乏年轻劳动力、水资源和土地，也没有未来。在核泄漏后福岛，当地土地受到污染，年轻人们都前往仙台和东京就业，70%的食物需要进口。

美国不足2%的人口从事农业。

非洲有一半的人口年龄在18岁以下，而这些人有80%今后都不愿意从事农业。小农的生活太艰苦，于是他们离开农村前往城市。

印度农民家庭缺乏基础设施，今年自杀的农民数量超过前十年的总和。

在自然资源稀缺、产出增长放缓、生物多样性日益消失、气候变化、城市人口膨胀诸多因素影响之下，现有的食物系统迅速趋近自然极限。

人类面临这样的食物问题:我们需要更多的食物，而且必须便宜。

第四次农业革命将会是什么样？又将如何影响全球社会的未来？

假如我们能够建立一个世界范围的数码农场，将会怎样？例如，把苹果数码化，通过空气粒子传播，在地球另一端重组为实体？假如人人都能在屋里种出美味营养的食物，将会怎样？

麻省理工学院（MIT）媒体实验室主任、开放农业倡议发起人Caleb Harper脑洞大开，把种植者和技术连接起来，试图改变食物生产系统，下面来了解他的“食物电脑”，看看未来的农业是什么样子的。

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。

Caleb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“食物电脑”（food computer）。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媒体实验室夜景，紫色LED照明处为CityFARM实验室

根据生产和实验的需要，食物电脑的规模可大可小，包括个人食物电脑、食物服务器和食物数据中心。

个人食物电脑，大小类似台式机，可供个人和学校用于食物生产教学之用，特别适合学习生物学、植物学、环境、编程、电子工程等。

食物服务器，大小相当于一个标准集装箱，可供小型饭店餐厅经营之用，现场生产最新鲜的食物。

食物数据中心，仍处于开发阶段，目标是扩展到仓库大小，可以进行工业化生产。食物数据中心将会分区，在各自最佳生长状况下种植不同类型庄稼。

现在，就来参观Caleb食物电脑的实验室吧。

“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。

实验室的传感器就像是经验丰富老农的眼睛，一眼就能看出植物的需求——缺氮、缺钙还是湿度不够？

实验室里每棵西兰花都标明了IP地址，点开一棵植物的资料，就可以得到关于这个植物的一切信息：生长进度，何时长出足够的营养成分，何时长成人们喜欢的口感等，光照用水不足时还能自动报警，这样植物可以使用人类的语言来表达自己的需求。

Caleb的实验室在不断尝试各种方法与工具。NASA为空间站开发的气耕法(aeroponics)，可以大大降低用水，精确提供植物生长所需的水、矿物质和氧气，植株根系不会过于复杂，生长速度提高四五倍。此外，他们还寻找能在恶劣环境下生长的植物，甚至种植出来自古代种子库中活性胚质尚存的稀有番茄。

目前Caleb团队正在着手尝试一项新的研究，种植的不仅是食物，还可以是药品和营养品，例如，他们在种植带有埃博拉病毒疫苗的植物。

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。所有的硬件和软件都是开源的，因此人们也可以据此在自己家里搭建自己的食物电脑。他们希望未来，食物的信息能像维基百科式地开放，任由用户下载、点击并种植食物，人人都可以成为“农民”。

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、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。

日本垂直农场

Spread公司位于日本的室内农场内是这样一番景象：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。

东京的消费者对于生长于垂直农场，使用LED植物照明、无农药且不需冲洗的生菜接受度一直很高。

近日，日本又有两间垂直农场也宣布使用飞利浦植物LED照明栽培作物。Innovatus的垂直农场在2015年3月于富士农场进行测试，在占地1,851平方公尺的区域中，Innovatus由此开始运作，今日已经成为每日能生产12,000颗生菜的农场，能在2小时内将新鲜、干净的作物送至邻近超市。2015年10月，Delicious Cook在关东千叶县西北部的习志野市（Narashino）打造了新的都市农场。在10个月的测试期间，飞利浦照明、CCS、Delicious Cook都使用了飞利浦GreenPower LED生产模块，共使用三层、大约80平方公尺的区域种植较为稀有的香料。

美国垂直农场

AeroFarms公司2016年建立了室内的垂直农场，并已经着手计划在新泽西州的纽瓦克市建立第9处基地，距离纽约曼哈顿只有一公里的车程。这将成为世界上最大的垂直农场，7万平方英尺的设施，每年可以生产200万磅的食物，并且相比于普通田地里种植的作物将节约95%的水。

AeroFarms每年使用22种作物进行轮种，收获20次，不分季节，同时产出约200万磅（约合91万公斤）的蔬菜。先进的农业系统不会对土壤造成侵蚀，杀虫剂、水量使用以及碳排放都大量减少，有时候甚至完全不需要。

LED灯和气候控制系统都是特别设计的，用于培育250多种绿色蔬菜和草药，无需阳光或土壤。这些独特的照明设备让AeroFarms可控制绿色蔬菜和草药的大小、形状、质地、色泽、营养以及风味等。这些食物有超长保鲜期，从育种到包装都实行最高的食品安全标准。

安装在种植槽中的传感器对30,000个数据点进行采样，来跟踪植物的生长情况。得到的数据会发送给麻省理工学院或哈佛大学的科学家们进行分析，以不断改进植物的种植方式。

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。并不是每间垂直农场都会成功。

不论是日本，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。

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。