突破傳統農業的界限：植物工廠的創新之路

植物工廠的起源

植物工廠是一種將植物生產從傳統農業模式轉變為工業化、智能化生產的技術系統。其發展根源可以追溯到人類對環境控制和農業增產的需求，並受到科學技術的進步所推動。這種設施透過控制光、溫度、濕度、二氧化碳濃度等關鍵生長因素，使植物可以全年無休地在人工環境中進行高效、穩定的生產。植物工廠的概念最早可以追溯到20世紀初期，當時人們開始嘗試利用科學技術改善傳統農業的不足。特別是在20世紀中葉，隨著溫室技術的發展，人們逐漸意識到可以透過控制環境條件來提升作物的產量和品質。溫室技術為植物工廠的誕生奠定了基礎，因為溫室能夠在一定程度上控制植物生長所需的環境因素，如光照、溫度和水分供應。然而，這一時期的技術受限於能源、設備以及環境控制精度，植物工廠並未完全實現現代化的集約生產。

植物工廠的發展進入了20世紀下半葉，特別是在1970年代以後，隨著石油危機的爆發，全球範圍內對糧食安全和能源消耗問題的關注不斷增加。人們開始探索如何在有限的土地上以最少的資源投入實現最高的產量。這一時期的科學家和農業專家開始更深入地研究植物在受控環境下的生長規律，並引入了人工光源、環境控制系統以及水耕技術，這些技術成為現代植物工廠的關鍵要素。日本是植物工廠技術發展的重要推動國之一。1970年代，受到石油危機和國內土地資源稀缺的影響，日本政府和企業開始大力推動植物工廠的研究與應用。這一時期，日本的科學家進行了大量關於光照技術的研究，並成功研發出適合植物生長的人工光源，如發光二極管（LED）。LED的應用使得植物工廠的光效控制更加靈活和高效，植物的光合作用能夠在人工光照的條件下進行最佳化。此外，日本在水耕技術和氣耕技術方面的研究也取得了顯著成果。這些技術可以在不使用土壤的情況下，通過溶液直接向植物提供所需的養分，大大提高了作物的生長速度和產量。同時，這些技術也減少了對農藥和化肥的依賴，實現了更綠色、可持續的農業生產方式。

進入21世紀後，隨著科技的進一步發展，植物工廠逐漸從日本擴展到其他國家，尤其是歐美國家和中國。現代植物工廠結合了物聯網、人工智能、大數據等新興技術，使得植物生產的自動化、精確化和規模化成為可能。這種技術體系不僅能解決傳統農業面臨的土地、水資源短缺問題，還能應對氣候變遷帶來的不穩定性挑戰。

圖 1樂馨坊科技-植物工廠畫面

植物工廠的功用

植物工廠的功用與栽培對象在現代農業中展現出多重優勢，它不僅提升了糧食安全，還在節約資源、減少污染、促進科技創新等方面扮演了關鍵角色，並為多種類型的作物提供了理想的栽培環境。

首先，植物工廠在提高糧食安全和自給自足能力方面有顯著的貢獻。傳統農業深受自然條件的限制，氣候變化、季節變化、土壤品質和水源可用性等因素都會直接影響作物的生長和產量。然而，植物工廠透過精確控制內部環境，使得作物能夠在全年不間斷地生長。光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養供應等生長條件都可依據作物需求進行調整，確保穩定的生產效率。這一特性尤其適合氣候條件惡劣或頻繁受到自然災害影響的地區，這些地方可透過植物工廠維持穩定的糧食生產，減少對進口依賴，實現糧食的自給自足。此外，由於植物工廠的設置可以接近消費市場，供應鏈縮短，進一步提高了糧食供應的效率。

其次，植物工廠對土地資源的高效利用也值得關注。隨著全球人口持續增長，耕地面積日益減少，而糧食需求卻在持續上升。植物工廠通過垂直種植技術，能在有限的空間內進行多層次的作物栽培，從而大幅提高單位面積的產量，遠遠超過傳統農業的土地利用效率。這種空間轉換的生產模式不僅可以解決耕地不足的問題，還允許植物工廠在城市中建設，為「城市農業」提供了可行的解決方案。將生產基地直接設在消費市場周邊，既縮短了運輸距離，又降低了運輸成本，進一步促進了糧食生產的本地化和環境友好型發展。

此外，植物工廠的水資源利用效率也遠勝傳統農業。在傳統農業中，水資源浪費是普遍問題，尤其是在大規模的開放式田地中，水的流失和蒸發很難控制。相比之下，植物工廠採用的水耕和氣耕技術，不僅能有效回收和循環利用水資源，還能將水分利用效率提高到傳統農業的數倍，達到顯著的節水效果。同時，由於植物工廠處於封閉的環境中，病蟲害的風險大大降低，這意味著化學農藥和肥料的使用幾乎可以避免。這樣的栽培方式減少了對環境的污染，並生產出更符合有機標準的作物，對人類健康更有保障。

科技創新也是植物工廠的一個重要特徵。這類設施高度依賴於現代科技的應用，包括物聯網、人工智能、機器學習和自動化控制技術。這些技術的使用使得植物工廠可以實時監控並精確調整環境參數，以達到最佳生長效果。同時，自動化系統能減少人力需求，從而降低運營成本並提高生產效率。這不僅推動了農業的智能化進程，也促進了綠色產業的發展。隨著科技的不斷進步，植物工廠還將實現更低能耗的運行，甚至可以結合可再生能源如太陽能、風能等，為未來可持續發展提供更大助力。

在植物工廠內，許多作物都能獲得理想的生長環境。葉菜類作物如生菜、菠菜和萵苣是最常見的栽培對象，因為這些作物生長周期短，對光照和營養液的需求穩定，且易於管理。此外，香草和藥用植物如羅勒、迷迭香和薄荷，也在植物工廠中有著廣泛的應用，這些植物對於生長環境的要求相對精確，而植物工廠能夠為它們提供全年穩定的生長條件。水果類作物如草莓和番茄也可受益於植物工廠內的精準控制，它們的產量和品質在這樣的環境下可以顯著提高。芽苗菜類如豆芽和豌豆苗，由於其生長快速，需求簡單，也十分適合在植物工廠中進行大規模生產。

植物工廠不僅改變了傳統農業的運作模式，還在提升糧食安全、節約資源、減少污染和促進科技創新等方面展現出巨大潛力。隨著全球資源的日益緊張和環境壓力的增加，植物工廠為未來農業發展提供了一條可持續且高效的道路，將在糧食生產和環境保護的雙重領域中發揮更為重要的作用。

圖 2 樂馨坊科技-植物工廠香草和藥用植物栽培

植物工廠與AI

隨著科技的飛速發展，植物工廠的運作模式正逐步演變，其中人工智能（AI）的引入尤為顯著。AI技術結合物聯網（IoT）、大數據和機器學習，使植物工廠變得更加智能化和精確化。這種技術整合不僅提高了作物生產的效率，還大幅降低了運營成本，為植物工廠的發展注入了強大動力。

首先，AI在植物工廠中最直接的應用是智能環境控制。植物工廠的核心特徵在於其對生長環境的全面控制，涵蓋光照、溫度、濕度和二氧化碳濃度等關鍵變數。傳統的控制方式通常依賴於人工或預設系統，這種方法缺乏靈活性，難以即時應對環境變化或作物需求的變動。而引入AI技術後，植物工廠的控制系統可以通過感應器收集實時數據，並利用機器學習算法來分析這些數據，精準調整生長環境。例如，根據植物不同生長階段的需求，AI能自動調整光照強度和時間，精確控制水分和養分的供應，最大化生長效率並節省資源。

其次，AI在作物健康和疾病檢測方面表現出了巨大的潛力。傳統農業依賴人工巡查來檢測病蟲害或營養不良等問題，這一過程費時費力，且常常無法及時發現問題。然而，AI技術能利用計算機視覺和圖像處理技術，對作物進行自動化監測。攝像頭和感應器可以即時捕捉作物葉片顏色或形態的微小變化，AI則會快速診斷出早期的病害或生長異常，並及時通知管理系統，讓運營者迅速採取行動。這不僅提高了植物工廠的運營效率，也減少了農藥的使用，提升了作物的品質和安全性。

此外，AI還能通過數據驅動的方式優化植物生長模型。植物生長是一個複雜過程，涉及光照、養分、溫度等多種因素的綜合作用。傳統的種植管理往往依賴經驗，而AI則能分析大量歷史數據，找出影響作物生長的關鍵變數，進而優化栽培策略。這一過程使得植物工廠能根據不同作物的特性和市場需求，制定出最適合的生產計劃，不僅提高了產量，還進一步提升了作物的品質。

在自動化操作方面，AI也扮演著不可或缺的角色。通過AI控制的機器人系統，植物工廠實現了自動化的種植、收割和管理。例如，AI能識別哪些作物達到最佳收割期，並指揮機器人進行精確的收割，避免了人力操作中的誤差。此外，AI還能根據市場需求預測，協助管理者靈活調整作物的輪作和生產計劃，避免生產過剩或供應短缺。

最後，AI技術還推動了植物工廠向永續農業的發展。透過實時分析資源的使用情況，AI能最佳化水、電和養分的分配，避免資源浪費。例如，AI系統能根據作物的實際需求調整水分和肥料的供應，並自動控制光照強度，以達到能源的最佳使用效果。這種精確的資源管理不僅提高了植物工廠的效率，還降低了對環境的影響，實現了更可持續的農業生產模式。AI技術的引入徹底改變了植物工廠的運作方式，從智能環境控制到自動化管理，AI讓植物工廠更加高效、精確，同時也推動了永續農業的發展。隨著技術的不斷進步，AI在植物工廠中的應用將會進一步拓展，未來的農業生產將更加智能化和環境友好。

圖 3 樂馨坊科技-植物工廠結合AI辨識技術

植物工廠的展望與未來

        總結而言，植物工廠的未來充滿創新與無限潛力。隨著人工智能（AI）、物聯網、大數據等先進技術的引入，植物工廠逐步實現了智能化、精確化與自動化的運營，顯著提升了農業生產效率，同時減少資源消耗與浪費。AI技術不僅能靈活控制生長環境，還能即時檢測作物健康狀況，減少疾病和農藥使用，進而提高作物的品質。透過垂直種植技術和自動化機器人的運用，植物工廠實現了空間的高效利用和成本的降低，推動了糧食安全與自給自足的實現。展望未來，植物工廠作為應對氣候變遷和資源短缺的重要解決方案，將在永續農業發展中發揮更為重要的作用。

撰寫者:樂馨坊科技股份有限公司 負責人 林奕廷
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