Sẽ thế nào khi rau được trồng trong nhà máy, bằng robot, AI và thế hệ nông dân 4.0?

Tiếng nhấc thanh chắn cổng bảo vệ, tiếng "bíp" xác nhận của máy quẹt thẻ, âm thanh rì rầm phát ra từ những dây chuyền đang chạy và tiếng "ót ét" đặc trưng của cánh tay robot. Khi tôi đố một người bạn nhắm mắt để xem video giới thiệu về Plenty, anh ấy đã phân vân không biết đó là một phân xưởng sản xuất điện thoại di động hay nhà máy lắp ráp ô tô.

Mặc dù đã một vụ cá cược một ăn mười, nhưng tôi vẫn sẵn sàng cho anh đoán thêm 8 đáp án nữa.

Nhà máy sản xuất vi mạch, phòng chụp cộng hưởng từ MRI? Xưởng chế tạo vũ khí, phòng phẫu thuật não, trung tâm thí nghiệm của NASA? Hay đó là kho gói hàng của Amazon, Trạm Vũ trụ Quốc tế ISS?

Trên đây là tất cả những đáp án mà anh chàng có bằng cử nhân kỹ thuật, đang làm việc cho một công ty FDI lớn tại Việt Nam có thể nghĩ ra. Thật không may mắn, tất cả đều sai:

Plenty hóa ra chỉ là một nông trại. Không ai có thể nghĩ một nông trại lại sử dụng đến cánh tay robot phải không? Và sẽ còn bất ngờ hơn khi biết chúng được lập trình và chạy bằng AI.

Trên một góc đại lộ Eccles phía nam San Francisco, Planty thuê được gần 9.000 mét đất quý giá trong một thành phố mà diện tích nông nghiệp đã bị nuốt chửng bởi đường xá và những tòa nhà chọc trời. Ở đó, họ dựng lên một nhà xưởng.

Nhìn từ phía ngoài vào, xưởng sản xuất của Planty không hề phá vỡ quang cảnh hiện đại của Vùng Vịnh. Nhưng bên dưới mái tôn và phía sau những bức tường màu xám trắng ấy, thứ Planty thực chất muốn làm lại là một nông trại – một nông trại với những luống rau trồng thẳng đứng.

Ý tưởng về một nông trại thẳng đứng hay "vertical farm" đã có một lịch sử lâu đời. Về cơ bản, đó là một hình thức canh tác nông nghiệp mà cây trồng - thay vì được đặt cạnh nhau trên bề mặt nằm ngang – sẽ được xếp thẳng đứng lên nhau theo chiều dọc.

Dickson Despommier, một giáo sư Y tế Công cộng và Môi trường tại Đại học Columbia là người đầu tiên nghĩ ra ý tưởng này. Năm 1999, trong một lớp học về sinh thái học y tế, Despommier đã đố các sinh viên của mình nghĩ ra cách nào đó để sản xuất nhiều lương thực nhất có thể từ 53.000 mét vuông diện tích mái nhà bỏ không ở New York.

Sau khi đã thử mọi cách biến những không gian trống này thành các vườn cây và nông trại, lớp sinh viên của Despommier kết luận họ chỉ có thể nuôi sống 1.000 người. Vị giáo sư tất nhiên không hài lòng, ông muốn giải một bài toán lương thực cho 50.000 người, và 1.000 thì mới chỉ được 2% con số đó.

Despommier thẳng thắn nói với các sinh viên, tại sao họ không nghĩ đến chuyện trồng lương thực theo chiều thẳng đứng. Thay vì chỉ có một diện tích mặt sàn duy nhất, một nông trại thẳng đứng có thể được trồng thành nhiều tầng, nhân diện tích trồng trọt lên gấp bội.

Nước có thể được tiết kiệm khi tưới theo chiều dọc, và ánh sáng nhân tạo có thể giúp họ trồng cây trong nhà, loại bỏ sự cần thiết của Mặt Trời và thời vụ.

Các sinh viên của Despommier như tìm thấy được ánh sáng, họ đã cùng vị giáo sư của mình thiết kế ra một nguyên mẫu nông trại thẳng đứng đầu tiên trên thế giới. Phải mất 2 năm để ý tưởng được hoàn thiện trên giấy, đó là một bản vẽ tòa nhà 30 tầng, sử dụng năng lượng tái tạo để trồng hơn 100 loại cây và rau.

Họ sẽ nuôi thêm gà và cá ở tầng dưới để tận dụng chất thải thực vật. Mục tiêu nuôi sống 50.000 người từ một tòa nhà như vậy đã đạt được.

***

Mặc dù dự án của Despommier chưa bao giờ được triển khai trên thực tế, nhưng ông cho biết ý tưởng về nông trại thẳng đứng của mình đã truyền cảm hứng cho rất nhiều nhà khoa học và cả các nhà đầu tư trên thế giới.

Năm 2009, một hệ thống nông trại thẳng đứng đầu tiên đã được xây dựng và thử nghiệm tại Công viên Môi trường Vườn thú Paignton ở Vương quốc Anh. Tại thời điểm đó, thực phẩm được trồng ở đây chỉ được sử dụng để cung cấp cho động vật.

Năm 2012, Singapore trở thành quốc gia đầu tiên triển khai một mô hình nông trại thẳng đứng thương mại được và bán thực phẩm cho con người. Công ty có tên là Sky Greens Farms đã dựng hơn 100 tháp rau cao 9 mét trong một không gian 3 tầng nhà.

Liên tiếp sau đó, các mô hình nông trại thẳng đứng đã được xây dựng tại Mỹ, Pháp, Canada, Hàn Quốc và Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống Nhất. Thống kê tới tháng 11 năm 2020 cho thấy trên thế giới đã có ít nhất 1.600 công ty khởi nghiệp hoạt động trong lĩnh vực này với hơn 1,8 tỷ USD đầu tư vào đó.

Năm 2017, Plenty được thành lập bởi Nate Storey và Matt Barnard cũng đã huy động được 200 triệu USD từ một số nhà đầu tư nổi tiếng, bao gồm chủ tịch Alphabet Eric Schmidt và người đồng sáng lập Amazon Jeff Bezos.

Họ đã dùng số tiền này để xây dựng 2 nông trại thẳng đứng, một ở Nam San Francisco và một ở Compton. Kế hoạch của Plenty là họ sẽ xây dựng tổng cộng hơn 500 nông trại như vậy ở khắp nơi trên thế giới, nhắm đến các đô thị có dân số từ 1 triệu trở lên. Sản phẩm chủ lực của họ sẽ là rau sạch, trái cây và thêm các loại cây thảo mộc, gia vị.

Bước vào bên trong nhà xưởng của Plenty, bạn sẽ cần mặc một bộ áo liền quần, đi ủng, đeo găng tay, lưới che tóc, khẩu trang và một chiếc kính đặc biệt. Nó giống như bạn đang đang bước vào một bệnh viện giữa đại dịch hơn là một chuyến tham quan nông trại.

Nhưng mọi thứ đều có nguyên nhân của nó, tôn chỉ mà Plenty muốn hướng đến là một nông trại hữu cơ, cho sản phẩm sạch và hạn chế dấu chân con người nhất có thể (bao gồm cả dấu tay).

Trong một diện tích nhà xưởng rộng gần 9.000 mét vuông, Plenty dựng lên những bức tường thủy canh cao gần 5 mét và tháo lắp được như lego. Họ đang trồng trong đó cải xoăn, rau arugula, cải ngọt, củ cải đường, thì là và rau mizuna.

Đối diện với mỗi luống rau đang trổ lá là những dải đèn led, xen kẽ nhau thay thế cho ánh sáng mặt trời. Rau của Plenty được trồng thủy canh, nghĩa là chúng sẽ nhúng rễ vào trong những cốc nước được làm giàu bằng chất dinh dưỡng thay vì đất.

Nate Storey, đồng sáng lập kiêm giám đốc khoa học của Planty cho biết phương pháp thủy canh mà họ đang ứng dụng có thể tiết kiệm 95% nước và 99% tài nguyên đất so với canh tác truyền thống. Nếu bạn tưới nước cho một ruộng rau mọc trên đất, chỉ có một phần nhỏ nước thực sự được cây hút qua rễ, phần lớn nước sẽ trôi đi lãng phí khi chúng thấm xuống tầng đất sâu hơn.

Thủy canh giữ lại gần như toàn bộ lượng nước và có thể tái sử dụng chúng khi rau mọc trực tiếp trong môi trường dinh dưỡng lỏng. Storey cho biết Plenty đã ứng dụng một hệ thống trí tuệ nhân tạo liên tục theo dõi và nhận dữ liệu từ các tháp rau, môi trường dinh dưỡng, cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ oxy, CO2.

Hệ thống của họ liên tục học tập để cải thiện năng suất qua mỗi vụ. Và bởi môi trường nhà xưởng hoàn toàn được kiểm soát, rau trồng trong nông trại của Plenty thực ra không cần mùa, chúng có thể được sinh trưởng và thu hoạch quanh năm.

Với tất cả các yếu tố này, Storey tiết lộ 9.000 mét vuông nhà xưởng của Plenty có thể cho sản lượng rau gấp 350 lần so với một nông trại truyền thống, tương đương hơn 2 triệu kg thành phẩm một năm. Và đó cũng là một trong những lý do họ cần đến sức lao động của robot.

Storey cho biết Plenty đang hướng đến việc tự động hóa toàn bộ quy trình trong nhà xưởng của mình. Họ chỉ thuê khoảng hơn một chục nông dân để vận hành nhà máy sản xuất, công việc chủ yếu liên quan đến kiểm soát chất lượng, khử trùng và bảo trì máy móc. Những người nông dân hạn chế chạm chính tay họ vào các luống rau, để toàn bộ công việc ấy lại cho robot.

Bên trong một căn phòng được gọi là vườn ươm, một số cánh tay robot đang đóng gói các khay đất chứa hạt giống để đưa vào phòng ươm. Dọc theo một bức tường khác, 4 cánh tay robot bên trong hộp kính đang nhấc các cây con ra khỏi khay và đặt chúng lên các tháp cao màu trắng.

Bên ngoài phân xưởng chính của Plenty, phía cuối lối đi giữa hai bức tường rau long lanh màu ngọc bích, một cánh tay robot màu vàng rực đang nhẹ nhàng tháo tháp rau cải xoăn đã trưởng thành xuống rồi đặt nó lên băng chuyền.

Tháp rau đi qua một bánh xe quay, nơi những khóm cải xoăn được cắt tỉa gọn gàng và đẩy vào phòng đóng gói. Tại căn phòng này, một nông dân của Plenty trong bộ đồ vô trùng sẽ làm nhiệm vụ kiểm soát chất lượng của sản phẩm trước khi chúng được đưa tới các cửa hàng địa phương để tiêu thụ.

"Bạn không cần phải rửa sản phẩm của chúng tôi", Matt Barnard, CEO của Plenty cho biết. "Bạn biết những túi rau diếp ngoài siêu thị quảng cáo rằng chúng đã được rửa tới ba lần không? Thực chất chúng đã được rửa bằng thuốc tẩy. Chúng tôi không nghĩ rằng mọi người nên ăn các sản phẩm có dư lượng thuốc tẩy hoặc thuốc trừ sâu".

Bên cạnh tự động hóa bằng robot, Plenty vì vậy đã hữu cơ hóa toàn bộ quy trình của mình. Họ không sử dụng thuốc trừ sâu hay thuốc diệt cỏ. Những người nông dân cũng hạn chế tối đa việc chạm tay vào những cây rau trong mọi công đoạn. Họ chỉ khử trùng máy móc và để những cánh tay robot thay mình chăm sóc chúng.

Theo một báo cáo của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, cho đến năm 2050, Trái Đất sẽ cần thêm 70% lương thực, 30% nước và hơn 50% sản lượng năng lượng. Đó là bởi chúng ta sẽ phải nuôi sống một thế giới có 9,8 tỷ cư dân ở thời điểm đó.

Hai phần ba nhân loại trong năm 2050 sẽ sống tập trung bên trong cách thành phố và siêu đô thị như Los Angeles hoặc New York hiện tại. Đất nông nghiệp ở những khu vực này gần như đã bị nuốt chửng. Một thực tế là gần một phần ba giá trị rau bán ở toàn bộ miền đông Hoa Kỳ ngày nay phải được vận chuyển đến từ tận các nông trại xa xôi ở California hoặc Mexico.

Storey cho biết Planty có thể giải quyết vấn đề này, khi nông trại của họ có thể được xây dựng ở bất cứ đâu. Đặt một nông trại ngay trong một khu phố ở New York có thể tiết kiệm hàng ngàn km vận chuyển thực phẩm mỗi ngày, tương đương với hàng tấn khí thải CO2 mỗi năm.

Nông trại thẳng đứng cũng có thể giải quyết vấn đề của nông sản nhập khẩu. "Chẳng hạn như trong đại dịch vừa qua, COVID-19 đã làm gián đoạn chuỗi cung ứng thực phẩm toàn cầu. Điều này cho thấy nhu cầu về nguồn cung thực phẩm bền vững chỉ có thể đến từ các nông trại canh tác theo chiều dọc", Storey cho biết.

Chính vì vậy, Plenty đang mở rộng tầm nhìn của họ ra bên ngoài các loại rau và thảo mộc. Họ cũng nghiên cứu các phương pháp trồng cà chua, dâu tây và nhiều cây trồng phụ thuộc vào thời tiết và địa lý khác như táo.

Về cơ bản, bên trong một nông trại có kiểm soát, bạn có thể tạo ra bất kể một loại thời tiết nào, chỉ cần kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Các loại cây trồng ở xứ lạnh có thể được trồng ở một nông trại thẳng đứng ở xích đạo và ngược lại, trái cây và hoa quả nhiệt đới có thể được trồng ở Canada. Tất cả những điều này càng trở nên quan trọng hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu có thể làm đảo lộn và xóa sổ một số giống cây trồng nhất định.

Trên quy mô nhỏ hơn, biến đổi khí hậu có thể làm mùi vị của thực phẩm thay đổi, nhưng Storey cho biết Planty có thể giải quyết cả vấn đề đó. Hệ thống trí tuệ nhân tạo của họ không chỉ làm nhiệm vụ điều khiển thời tiết và khí hậu bên trong nông trại, mà còn có thể thông qua đó tạo ra mùi vị chính xác cho các loại rau quả.

"Ví dụ như với cải xoăn, chúng tôi có thể tạo ra cả một phổ hương vị chuyển từ đắng sang ngọt, cân bằng hương vị để nó trở nên dễ ăn hơn như một loại thực phẩm lành mạnh", Barnard cho biết. "Một khi đã đưa được nông trại vào bên trong các nhà máy, chúng tôi có thể kiểm soát mọi thứ tạo ra hương vị của thực phẩm và thay đổi công thức ấy để tạo ra những loại cây mà mọi người đều thích".

Ngay lúc này, Plenty còn vận hành một nhóm khoa học thực vật chuyên để kiểm tra hạt giống để tìm ra những loại cây có hương vị tiềm năng nhất. Trong năm 2019, họ đã khảo sát qua 700 loại rau củ và cả cây ăn quả.

Tham vọng của Barnard thậm chí còn vượt ra bên ngoài tầm nhìn đó. "Chúng tôi đang muốn nghiên cứu một hỗn hợp rau quả có thể cạnh tranh và chống lại đồ ăn vặt", anh nói. Nếu các loại thực phẩm lành mạnh trở nên ngon hơn, điều này hoàn toàn có thể khả thi.

Các nông trại trong thành phố cũng có thể trồng ra các món snack tươi, và bởi chúng có thể được phân phối và dùng ngay trong ngày, Planty cuối cùng có thể đánh bại các loại thực phẩm đóng gói cần sử dụng chất bảo quản.

Với tất cả những ưu điểm kể trên, câu hỏi đặt ra lúc này là: Tại sao trong khu phố nhà bạn chưa có một nông trại thẳng đứng nào như của Plenty? Rất đơn giản, vấn đề hiện nằm ở đường cong chi phí.

Đầu tư vào những nông trại thẳng đứng như của Plenty có thể ngốn chi phí ban đầu lên tới hàng trăm triệu USD. Nhưng sản phẩm đầu ra của họ, những hộp rau cải xoăn đang được bán trong siêu thị chỉ với giá 4,99 USD, chỉ để cạnh tranh được với nông sản truyền thống. Và đó đã là giá bán của cải xoăn hữu cơ, trong khi cải xoăn thường chỉ có giá khoảng 1,33 USD/hộp.

Chi phí vận hành nhà máy cũng rất lớn. Planty hiện không tiết lộ những con số mà họ phải chi trả hàng tháng cho điện năng vận hành nhà máy của mình. Nhưng một tính toán cho nhà máy thủy canh tương tự của một công ty khác, Agritecture cho thấy một nông trại thẳng đứng rộng 2.700 mét vuông của họ phải chi hàng năm tới 216.000 USD tiền điện thắp sáng và 120.000 USD cho hệ thống điều hòa kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm.

Sử dụng quá nhiều điện năng cũng khiến các nông trại thẳng đứng bị cáo buộc làm tăng lượng khí thải nhà kính thay vì giảm thiểu chúng. Nhưng Storey cho biết Planty có kế hoạch của riêng mình. Họ đã ký hợp đồng với một nhà cung cấp năng lượng mặt trời để hướng tới việc sử dụng 100% năng lượng tái tạo cho nhà máy ở Nam San Francisco và kế đó là ở Compton.

Nghe có vẻ là một ý tưởng lòng vòng khi bạn sử dụng các tấm pin mặt trời để thu điện, sau đó lại sử dụng điện để phát sáng thay thế cho ánh sáng mặt trời, nhưng đó chính xác là những gì mà Plenty sẽ làm. Thật may mắn, ý tưởng này đang được sự ủng hộ của rất nhiều bước tiến công nghệ.

Chẳng hạn như trong công nghệ chiếu sáng, các hệ thống đèn LED bây giờ đã tiết kiệm năng lượng hơn tới 40% so với năm 2014. Bên cạnh đó là sự nổi lên của các loại năng lượng tái tạo như điện mặt trời, với giá thành ngày càng rẻ.

Storey cho biết: "Chi phí của năng lượng tái tạo đang giảm với một tốc độ đáng kinh ngạc. Năng lượng tái tạo đang dần thay thế nhiên liệu hóa thạch, năng lượng tạo ra từ than đá và khí tự nhiên. Những loại năng lượng đó đang dần trở nên đắt hơn cả năng lượng mặt trời và năng lượng gió".

Plenty định vị giá trị của họ không phải tại thời điểm này, mà là trong tương lai, khi các cuộc cách mạng năng lượng tái tạo như điện gió, mặt trời và thậm chí địa nhiệt điện đạt được tới đỉnh cao của chúng để cung cấp điện năng với giá vô cùng rẻ và gần như vô hạn.

Và trong khi các cuộc cách mạng ấy đang diễn ra, chúng ta cũng sẽ phải làm một cuộc cách mạng mới trong nông nghiệp để bắt kịp xu hướng. "Plenty muốn định vị mình tại một thời điểm trong tương lai khi chúng tôi có thể tận dụng được lợi thế đó", Storey nói.

"15 năm trước, chính bản thân tôi cũng nói rằng trồng cây trong nhà không phải là một việc khả thi, chẳng có cách nào khác cả khi nó quá đắt đỏ và điên rồ. Nhưng sau khi bạn nhìn thấy các đường cong chi phí này giảm dần. Bạn biết đấy, bạn có thể nhìn thấy tương lai của chúng".

***

Tham vọng của Plenty là có thể xây dựng được ít nhất 500 nông trại thẳng đứng trên thế giới. Năm 2021, họ sẽ xuất xưởng các lô rau quả từ nông trại thứ hai của mình ở Compton. Nhìn vào sự phát triển của lĩnh vực này, nhiều người cho rằng chúng ta đang chờ đợi một cuộc cách mạng thứ hai trong nông nghiệp.

Sự ra đời của các nông trại vận hành bằng trí tuệ nhân tạo, với sự phục vụ của các cánh tay robot có thể giống như sự xuất hiện của máy kéo trong những năm 1850. Kể từ đó, các nông trường khổng lồ mới xuất hiện, con người mới bắt đầu canh tác được trên các diện tích lớn.

Storey và Barnard tin rằng các nông trại trong nhà như của Plenty đang tạo ra một thứ gì đó tương tự: "Đó là khi chúng ta có thể thuần hóa tất cả các loài cây trồng trên đồng ruộng một lần nữa, đưa chúng vào một nơi có thể tạo ra siêu năng suất và trồng ở bất cứ đâu".