在临近意大利海岸的海平面下方,一场激动人心实验正在上演。犹如锚定在海底的巨型水母,一种全新的农业形态正在尼莫花园(Nemo’s Garden)悄然孕育。这些大型透明穹顶结构(也称为 “生物圈”)是一种非常特别的新型水下温室,可有效利用海底的有利条件,如温度稳定性、蒸发式淡水生成、二氧化碳吸收以及天然的虫害屏障等,打造适合种植各种农作物的理想环境。

尼莫花园的这个创意源自 Sergio Gamberini —— 潜水设备制造商 Ocean Reef 的总裁。2021 年,为响应朋友的挑战,Sergio 将其潜水设备设计经验与其对园艺的热爱之情两相融合,但却未曾想到最终会孕育出这样一个以为人类创造更多食物为愿景的全新商业模式。

过去十年来,Sergio Gamberini 与尼莫花园的团队孜孜以求,力证在水下种植蔬果理念的可行性。他们不仅在其原型生态圈中成功收获了各色各样的农作物,而且还发现在此环境下培育的植物营养成分,比采用传统种植法培育的植物更高。下一步,他们要攻克的难题是将其原型生态圈变成可在全球范围内部署的解决方案,为此,他们迫切需要一种有效的新技术方法。

解决规模扩展挑战的新途径

严酷的寒冬、短暂的夏季以及初始海底使用条件的种种限制,导致尼莫花园不得不将农作物的生长周期控制在一年以内,这就意味着每年也仅有一个阶段的创新机会。团队必须在生长期和收获工作结束后,才充分了解设计或流程变更对农作物产生的影响,而这大大限制了团队对项目进行改进和扩展的速度。无论是降低成本、提高生产力还是改善植物的健康水平和产量,任何设计变更都必需经过冗长的物理测试步骤,还要付出原型的相关投资成本,而在生长周期中高度依赖人工的监测流程,也导致了成本进一步增加。

为了解决上述挑战,尼莫花园向 TekSea 寻求帮助。TekSea 是一家专注于工业 4.0 技术的咨询公司。来自 TekSea 的 Matteo Cavalleroni 选定西门子数字化工业软件作为技术合作伙伴,帮助尼莫花园将其 “原型” 转变为能够在世界任何地方制造和安装的农业替代解决方案。于是,尼莫花园开始部署西门子的 Xcelerator 软件与服务解决方案组合,双方的合作也从实现传感器监测的自动化扩展至建立以生物圈的数字孪生为中心的数字化战略。

数字孪生是物理产品或流程的虚拟表示,能够帮助理解、预测并优化其物理载体的性能特征。利用数字孪生技术,我们可以在虚拟世界中进行创新,而无需顾虑物理原型的搭建成本以及传统方法固有的时间限制。

在看过软件演示,并了解到数字化战略对其实现愿景的重要性后,尼莫花园的团队迫切希望与西门子的全球专家团队紧密协作,开启数字化转型之旅。

通过构建生物圈的完整数字孪生,尼莫花园的团队成功解决了上述挑战。数字孪生技术不仅帮助尼莫花园实现了设计改进,同时还对其生物圈内的生长条件以及设备及其使用可能给所在水域带来的影响进行了仿真。从此,尼莫花园便可以摆脱气候条件、季节性以及短暂的生长期或对实际潜水和人工监测的依赖等诸多限制。

通过在虚拟世界中使用仿真软件对生物圈所做的调整进行测试,团队得以大幅加快设计和流程的优化速度。

重塑生物圈

对于任何类型的工程项目来说,数据采集都是非常重要的一环;而当尼莫花园尝试在海底种植农作物时,数据采集的关键性更为突出。在此前的生长期内,尼莫花园的团队已经用传感器收集了大量历史数据,这些数据对数字孪生的开发大有裨益。通过将温度、二氧化碳/氧气浓度、倾斜角度、海平面及能耗数据与初始仿真的预测结果进行比对,能够生成用以验证尼莫花园穹顶结构及其周围海洋条件的数字孪生。

在虚拟模型和试验台的帮助下,尼莫花园重新开始进行细致的设计迭代,无需创建成本高昂的物理原型,或反复对海底环境进行调试。现在,尼莫花园内的条件可根据整个季节内海洋与生物量的变化进行调整,而不再需要 “听天由命”。

这样一来,工程师们便可以集中精力解答一些更为关键的问题,例如:每个圈内应当种植多少植物?植物需要多少阳光?为了应对正常与异常条件下施加于结构体上的压力和作用力,生物圈的最小壁厚和锚固强度应为多少?等等。

通过在虚拟环境中使用包括西门子 NX 和 Simcenter 在内的 3D 设计和仿真软件,团队能够不断挑战生物圈设计和建造的极限,构想性能更优的生物圈。过去,变更必需采用渐进式方法才能使所有参与者都准确衡量其影响。但是,通过创建生物圈的数字孪生并对意大利诺丽海湾(Bay of Noli)进行仿真,团队现在能够以更快的速度做出更有效的变更。他们构建加长型穹顶结构的模型,以增加每个圈内能够容纳的植物数量,并削减材料的厚度,以达到减重的目的,同时也使得运输和安装工作更加轻松。新生物圈还可使用纤细的聚合物线材建造,进一步降低部署的难度,并减少所需人力。

创造新流程

除了加快生物圈的设计和开发速度之外,尼莫花园的团队还需对用于种植、跟踪和收获的区域进行优化并扩大其规模,以实现其可持续发展的商业目标。目前,他们正在部署全面数字化、自动化的方法,吸收借鉴西门子软件在传统农耕作业自动化方面的广泛经验,他们不再需要潜水员潜入海底采集数据。

与地面耕种一样,水下生物圈内的植物生长也受制于各种因素的影响,如阳光、湿度、氧气/二氧化碳浓度等。为此,团队研发了鲁棒控制系统,能够以比传统耕种方法更高的精确度对环境积极进行监测和调整。

下一步,团队利用上传至西门子  MindSphere 物联网(IoT)系统中的实时影像,训练机器学习算法来判定单株植物的健康状况。通过将算法应用到每个生物圈内安装的西门子 Edge 控制器,尼莫花园的团队可以在生长期内随时随地对植物的实时生长情况进行远程监测。到下一生长期,再将 Edge 控制器连接到执行器上,让受过训练的 AI(人工智能)对整个生长期内的空气循环、湿度、灌溉和营养剂用量等自动进行调整。这将构成可根据海底作业条件进行优化,并根据不同海洋的具体情况进行调整的全球性农业服务基础。

充分发挥数字孪生的优势,展望尼莫花园的未来

尼莫花园的旅程发端于与好友共进晚餐一时兴起的轻松挑战,最终演变成一个具有切实可行性的替代农业形态。通过与西门子达成合作,他们计划将此独特理念转变成具有商业可行性的海底种植平台,能够在全球范围内进行部署,尤其是在那些由于环境或经济原因而导致传统植物生长受阻的地区,实现可持续发展。

尽管尼莫花园已经播撒下成功的种子,其团队仍在为实现其终极目标而努力奋斗,通过在全球范围内部署数百个海底农场,为人类提供更多的食物。他们已开始探索进一步优化其海底农业平台的方法,充分利用西门子的创新技术,他们可以调动从机器人到太阳能的各种技术手段。通过使用 “软件即服务” 和数字孪生技术,尼莫花园将继续宣扬新思路和创新思维,在提高产量的同时进一步降低环境影响。

 

注:该文来自 Nemo’s Garden 联合创始人 Luca Gamberini 与西门子数字化工业软件数字化企业副总裁 Alastair Orchard