中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

https://mashable.com/article/cannabis-cultivation-weed-farm-automation/

圖像：BOB AL-GREENE /Mashable

By MORGAN SUNG 2021年4月20日 

大麻農場的產量創歷史新高，但是機器人不可能很快就接管整個生產過程。

刻板印象中的大麻場要不是自由奔放的野外廣闊的農作物，就是基於在線上論壇上收集到的資訊，秘密的在地下室進行操作。現代化的大麻農場設施具有氣候控制的種植室和自動灌溉技術，與流行中對大麻農場的先入意見形成了鮮明的對比。現代大麻農場仍然需以人工進行大部分種植。在大麻農場所能達到的程度下，很少有其他農業生產場所，使用人工比機器更多，但是大麻的品質要求特性需求精細的作業技能和有經驗的直覺，機械化技術尚未適應此作物。 

儘管農業行業百年來一直依賴機械，但在大麻領域卻缺乏自動化。在各州大麻合法化與 2018年農業法案引發了可以種植大麻的農民與及可以購買大麻的消費者的“綠色大潮”。儘管需求不斷增長，但高品質的花芽是一種脆弱的農作物，而傳統農業中使用的機械還不夠輕巧以處理大麻。  

戶外農業僅限於連續日照和氣候溫和的地區，因此大多數品種大麻都在室內種植。大麻商業日報報告在2018年，加利福尼亞休閒大麻的80％生產來自室內設施。但是即使使用室內設施，不受戶外耕作的自然條件限制，又受到現代技術的推動，還需要人們完成大部分工作。這不是因為技術或機械不存在，而是因為受過訓練的人比機器人做得更好。農業技術比起20年前，可能增長突飛猛進，但是對於大麻農場來說，要達到孟山都水準經營規模是不可能的。目前確保高品質的花芽仍然需要大量的人力參與。 

“大麻真的那麼難，讓此植物變幻無常嗎？” 一名Reddit用戶在家中種植的蔬菜。”我從來沒有承擔過這項任務，但是我在後院裡種植大量的園藝/植物/樹的愛好者。我是一個自由放任的種植者，主要依靠直覺，眼睛和常識來開展工作，相當成功，但是在大麻，需要對pH值平衡，植物養分，農藥和照明光周期如此之多的關注，真讓我大吃一驚。為什麼要大驚小怪呢？因為大麻栽培的增長利潤方程式根基在此。” 另一個Reddit用戶總結說“這很容易做到。很難做到很好。”

好的大麻很難大規模生長

由於大麻的高投資，高利潤性質，大麻農場不願使用工業化農業巨頭所使用的機械。諸如番茄之類的常規農作物也需要受控的環境，全面的監控和精心的收穫。也會因疾病損失，無法生長或收穫時受損。然而在像大麻這樣昂貴且勞動密集型的植物，那幾磅重的產品可能使一個農場花費數萬美元和數月的勞動力。 

種植大麻並不難。生長良好的大麻是困難。

Brett·Wonderbrett的商品名字是其所命名的大麻品牌創始人之一，是大麻長時間種植者，他說的品質大麻在這樣高的要求，因為它是稀少的。種植大麻非常困難，而大麻能夠為消費者帶來愉悅的體驗則更是如此。尤其是在大型農場規模上更難。Wonderbrett說“品質並不容易，Wonderbrett位於加利福尼亞長灘的180,000平方英尺室內種植設施。該設施擁有令人印象深刻的36個生長室，每個生長室都栽培處於不同生長階段的各種品種。每個房間都通過新型技術和傳統手工的動作的結合進行監控，灌溉和維護。這很昂貴，很難而且，即使有人以最盡善盡美努力去做自己想做的一切，他們也可能會花費幾年而無法創造出高品質的東西。” 

隨著各州將休閒大麻合法化，對高品質大麻的需求也越來越高。在大麻合法之前，選擇是有限的。沒有人問他們的經銷商，產品中有多少萜烯。截至2021年4月， 有17個州和華盛頓特區，為市場帶來新鮮的競爭，並為消費者暴露出更好的大麻。 Wonderbrett把好的花芽比喻作有人一生都吃麥當勞，然後嘗試另一個美味的漢堡。 

Cameron Damwijk ，Wonderbrett的共同創始人和工程師，曾經設計許多生產系統，補充說“大多數消費者不知道更高品質的大麻可能有多麼好，直到他們嘗試到。他把好花芽比作一生都吃麥當勞，然後嘗試一個美味的漢堡。您不必成為鑑賞家就可以了解高中時得到的毛錢袋，和今天可以在藥房購買到的鮮花兩者之間的區別。 

Damwijk說”這就像這是一個好漢堡，我正在吃這個漢堡，但是另一個更好。現在我知道了有更高的品質。然後就是開始有人能夠看得出來，然後說'我確實注意到萜烯，或者我確實注意到那種光滑度。在大多數情況下，大麻的種植並不是特別困難。”不列顛哥倫比亞大學的植物學教授Anne Lacey Samuels博士研究大麻結構。指出低THC的大麻在大草原中自然生長。她解釋說植物本身很耐寒。 

種植高量四氫大麻酚，可抽煙的花芽更具挑戰性。這是一項雜技活動。涉及遺傳特性，全面監控和仔細收穫。所有這些都圍繞著培育出成熟植物的花芽，俗稱花蕾。表面粗糙，似泥土塊，看起來可能不多。但其顏色，香氣和質地會影響使用者食用花芽的體驗。大麻產品開始時是粘性的小芽。 

肯塔基州立大學有機農業助理教授兼大麻專家Shawn Lucas告訴civil Eat。大麻種植除了基本的園藝之外，還對園藝有了深入的了解。他說“如果您不了解基本生物學和優良的土壤品質，就會遇到麻煩。”

有時機器人的效率不如人

大麻的生長過程可能需要10到32週，才能使植物完全成熟才能收穫。種植者可以從種子開始，或者如果他們已經有成熟的植物其切穗，則稱其為克隆。與發芽種子相比，克隆可確保更快的生長過程，但是它們也很脆弱，因為它們需要發育根系以吸收養分。過度處理或將克隆從溫暖，潮濕的環境中移走，可能會在克隆生根之前將其殺死，因此室內設施仍要用手澆水。可能存在機器人能夠不損壞克隆，但與受過訓練的人員相比，它不易獲得或不具有成本效益。 

一名工人用手澆灌精緻的克隆。

種植者還必須保持警惕，保護植物免受蟲害，病毒和黴菌的侵害-Wonderbrett公司要求進入設施的任何人都要經過空氣淨化消毒室。植物本身去汙作業會影響農作物。例如，用臭氧或過氧化氫對生長室進行薰蒸以消毒細菌，不僅會使植物的表面變褐色，而且影響其味道和效力。而且還使員工面臨吸入有毒煙霧的風險。另一種稱為輻射的去污技術。使用無線電波產生熱量殺死微生物，但它也可以燒焦花朵。為防止採取與上述殺菌方法一樣嚴厲的措施，種植者可以在花芽失控之前簡單地由視覺評估植物和芽中的問題。

從理論上講，可以設計一種機器學習程式以儘早發現潛在的問題。但是同樣的，它不如一對訓練有素的眼睛，具有成本效益。 

促進成長過程 

室內生長的過程，還是有一些增強自動化元素。新近的合法化家庭種植其增加也產生了對個人用自動化環境控制系統的需求。Green Goddess Supply出售稱為家具的生長箱，稱為The Armoire。其中包括定時LED燈，溫度和濕度讀取器，通風風扇以及帶有WiFi的攝影機，用於監控植物的生長，價格為1,495美元。Grobo公司的栽培啟動採取改裝的自動澆水和施肥，價格為$ 2,299，家庭種植者只需調整設備的水桶，每週一次，用清水填充它，其餘動作讓完全自動化。 

在規模耕作上，這不像在小盒子裡種種子，並偶爾通過app觀察一樣簡單。但是現代耕作系統使用相同的概念。房間的濕度，二氧化碳水準，光照時間，氣流和營養物質都會影響大麻的品質。看似無害的動作，例如溫度突然下降或光照時間少了幾小時，可能會阻礙植物產生珍貴花芽的能力，因此室內種植設施可以選擇具有定時照明周期並調節氣候的自動系統。 

例如當我訪問Wonderbrett時，將門打開一個空隙太長時間，會觸發房間的系統自動釋放更多的二氧化碳。每個房間都有一套自己的儀器，用於監控濕度，溫度和二氧化碳。如果更改為理想臨界值，則會觸發系統對其進行調整。Damwijk指出，記錄濕度，溫度和二氧化碳水準有助於調整養份，以改善每次收成。儘管如此，在整個生長周期中。必須每隔幾週手動調整一次這些設定水準，而不是以預設數據自動調整。Damwijk不知道有任何軟體可以讓種植者計劃出整個生長周期的濕度，溫度和二氧化碳調整量，以同時進行多個品種種植。

“過去，即使您只是進行目視檢查，您也不知道凌晨兩點發生了什麼。您只是有信心說第二天一切都會好起來的。然後就像擲骰子。但是現在您可以通過查看這些數據來了解這些數據，並以一種共生的關係一起工作。”

灌溉也在一定程度上可以實現自動化。儘管效率會因技術和農場規模而異。適用於小型家庭的方法會不斷增長，例如使用Bubbleponic工具以水族箱充氣泵協助生根，但是對於大型栽培場來說，效率低下或風險太大。亞利桑那州的大麻品牌 Aeriz使氣耕系統。植物懸浮在空中，並通過自動養份霧化其裸露的根來澆水。眾所周知，氣耕系統可以產生沒有土壤或害蟲的高品質芽，但是價格過高。並且因為脆弱的根必須始終保持濕潤，如果自動化失敗並且根變乾，則有殺死植物的風險。

圖像：AERIZ提供

大多數農場選擇使用滴灌技術，該技術可以在低壓低流量的情況下逐漸將水輸送到植物的根部。專門從事灌溉系統的公司通常會提供肥灌服務，灌溉和施肥同時。自動將養分分散在滴灌用水中，用於常規作物和大麻種植。與自動控制系統結合使用，是一件容易的事情。

沒有一個規格適合所有種植系統。系統圍繞該公司獨特的生長品系進行，因此農場會根據自己的需要，調整肥料系統。傳統農業在適應不同作物的耕作方式時可能會遇到類似的問題。但是大麻農場對於不同品種上所做的努力不太足夠。 

以番茄為例，從主食Roma到令人羨慕的Brandywine Hrirloom，品種很多。它們都有自己獨特的風味，使它們彼此區別，但最終都可以在同一個花園中種植，而不會極大地影響您的番茄體驗。另一方面，不同種類的大麻在不同的條件下生長最佳。在Blue Dream可以吸收大量的氮而根系不會焦黑。而高CBD產的ACPC對營養素非常敏感。 

圖像：WONDERBRETT

Damwijk和Feldman找不到能夠不堵塞輸送軟管的情況下，單獨灌溉所有36個生長室所需營養的儲存系統，因此Damwijk自己設計和製造了一個。貫穿整個設施的所有水管匯聚在一個房間內，其中36個金屬管的網路被編程為從高聳的大桶中汲取營養。對於每個在不同生長階段，具有不同品系的房間，此水管網路都會提供特定濃度的不同養分混合物。為鼓勵年輕植物強勁的根系生長，用6"6"的塑料蓋覆蓋植物莖的底部。灌溉系統不是集中在一個地點，而是通過刻在塑料蓋上的通道，將水和養分均勻地分配到植物基部的所有四個角。這樣可以刺激幼小的植物的根部，通過包裹它的玻璃纖維狀立方介質可能地散開，這將使其成為更強壯的成年植物。Damwijk解釋說”Wonderbrett的灌溉系統與該行業沒有做完全的改變，而是由已經存在系統的改良版本。這是我們主要的創新作品，我們必須為自己製做。以保持我們想要的增長方式。”

人與機器可以協同工作的地方

栽培中最費力的步驟是剪下花芽。一旦植物可被收穫，覆蓋在芽上的髮狀線（稱為柱頭）將變為橙色，環繞柱頭被稱為毛狀體的晶體結構將呈現琥珀色。只要植物生長到那個階段，種植者就可以通過將最終收穫莖幹晾乾幾天。然後剪下每根花芽，然後將其調整以便食用。在野外，粘稠的毛狀體充當了植物的防禦，因為它的氣味阻止了捕食者從其上方進食。對於人類而言，這些臭的毛狀體正是我們想要的優質大麻。手動剪芽是一項費力且通常低工資的任務，但與機器翻轉相比，可以保留更多的花芽品質。

Lacey Samuels說“花上的毛狀體至關重要，因為它們是產生大麻素（THC或CBD）和萜類化合物的植物的一部分。” 那些大麻素與全身的受體相互作用產生治療作用。例如，THC以其高精神活躍的欣快而著稱。而日益流行CBD可能會衝擊影響睡眠，焦慮和發炎。產品中鮮少為人知的大麻素，例如CBN和CBG 的數量也在增加，但是還需要更多的研究來得出其影響的具體結論。 萜烯 是賦予所有植物氣味和味道的化合物，在大麻中，Type High的每種品系都可能產生此化合物。 

例如，柑桔類品系可能含有檸檬烯，以創造力和提神力高而著稱。而麝香月桂烯因其鎮靜，鎮痛作用而聞名。許多coich-locked夜晚可以歸因於稀微的月桂烯。 在乾燥和收穫過程中，保留這些化合物是十分重要的，因為它存放了所有好東西。這就是為什麼手工農場選擇以手工壓實和修剪花莖的原因。修剪工作包括從毛狀體包裹的芽中精心修剪過程的葉子和其他不需要的植物之前，先將莖上的每個芽除去。修剪過程可能會保存某些零件，例如Sugar leares，其中含有毛狀體，但風味或強力不如。可用於Pre-roll接頭或提取物。這是一個手工繁瑣的過程。Wonderbrett的Feldman估計，受過訓練的工人在八小時的作業中可以修剪大約一磅半的芽。 

修整和修剪設備以指數速度加快了該過程，但是當前的機械可能對細嫩的芽速度粗糙，並撩掉落所需的trichomes。像Mothtr Bucket 或者MBX Bucket機械可以通過一個小孔將濕的或乾的花莖餵入，從而每小時修剪150磅的芽。從而使芽彈出以進行收集。修剪機如 Twister Trimmer或Triminater 在旋轉的帶孔圓筒中翻滾乾燥的芽，以便將剩下的葉子撕掉。Twister Trimmer聲稱其最大的機型每小時可修剪600磅的芽。而其最常用的商業機型則每小時可修剪14磅的芽。該Triminator需稱每小時60磅的速度。 

儘管這些價格勝過任何人的手工修剪，但追求大麻純粹主義者認為，機器修剪會損壞芽毛，從而使花芽便宜，這會使產品的芳香性和效力降低。為了避免損失，種植者可以利用機器修剪的剩餘材料進行搖晃。但是傳統作業主義者將修剪手本身視為一門藝術。位於馬薩諸塞州的機器人公司Bloom Automation致力於通過人工智慧彌補手工修整費力的技巧與機器修整的原始效率兩者之間的差距。 

Bloom Automation的創始人兼首席執行官Jon Gowa認為，就是處理諸如玫瑰花等“非常低價值”的農作物，農業機器人仍需要更精細的自動化。Gowa告訴Mashable說“大麻作物的生產成本非常非常高，但作為消費者購買價格肯定很昂貴。 “與行業內的Bud Lite相對，他們正在尋找那些精湛的大麻品系，做為這些精釀啤酒。消費者每次購買此產品時，這都是一筆昂貴的投資。

IMAGE: BLOOM AUTOMATION

Bloom Automation的修剪系統使用機器學習技術來捕獲樹葉和其他不良植物的圖像，確定要保留的物件和要去除的物件，然後精心修剪掉多餘的東西。他的團隊使用10,000張大麻圖像訓練了一種演算法，將其分類為芽，糖葉，扇葉，莖和細枝。他們在該演算法的基礎上應用了另一種演算法，以訓練以真空抽取糖葉和扇葉，後者可以保存用於食用，tinctures或hash。Gowa說，它能夠以97％的準確度識別並清除不要的植物，並且可以進行訓練以適應不同的品種。他估計它的效率是人工修剪機的兩倍。後者雖然落後於標準修剪機，但卻保留了更高的品質。一台Bloom Automation機器的成本高達20,000美元。相比之下，Twister Trimmer最受歡迎的商業機型和Triminator分別售價大約17,000美元和13,800美元。當然，所有三個系統仍然比手動修剪器更高效率，但是它們都無法予Bloom Bloom Automation機器的精度進行比較。 

Gowa表示，Bloom Automation的目標，而是在一個更altnnistic的世界中。整體上實現自動化的目標，並不是要取代人類。而是要用更好的機器代替“沉悶，骯髒或危險”的人力工作。他沒有看到自動化能夠代替植物學家或維護工人，而是可以取代乏味的低薪工作。修剪往往是在行業中最低薪工作，支付最低工資或每磅幾百美元。根據加州的數據，在加州工資平均微調約為每小時16美元。儘管某些公司最高支付每小時39美元。Gowa希望修剪工作有一天能成為修剪機技術員的工作，這會增加薪水並訓練工人操作複雜的機械。 

Gowa說“我一直遵循的口頭禪是機器人執行所有沉悶，骯髒或危險的工作。對我來說，大麻非常呆板，骯髒如果您使用瘋狂的機器，對人來說是危險的。我們不是要複製那些已經存在的機器。但是我們正在努力製造出更高端的產品。”

當涉及到更好地使大麻產業自動化時，對新型革命性產品的需求，要比對已經存在的產品進行改進的需求要少。像機械一樣，只需要進行一些細微的更改。例如可以在整個16週的生長周期內通過調節光度和濕度進行預設的控制系統。或者用於計劃收割和分配產品，以更好地跟踪庫存的一個軟體。隨著大麻進一步的合法化，有望為萌芽的擴展行業，自動化有很大的增長空間。但是目前，機器人不會取代人，用以生產大麻。