[Chuyên mục Jung Sun-woo] Nhà máy thực vật và nhà máy ô tô

[Chuyên mục Jung Sun-woo] Giáo sư Khoa Công nghệ sinh học làm vườn và khoa học sự sống, Trường Đại học Nông nghiệp và Khoa học sự sống, Đại học Quốc gia Chonnam

Trong từ nhà máy hàm chứa kỳ vọng rằng các sản phẩm có quy cách nhất định sẽ được sản xuất hàng loạt. Giống như những chiếc ô tô cùng mẫu lần lượt ra đời trong nhà máy ô tô, người ta cho rằng trong nhà máy thực vật, nông sản có chất lượng đồng đều cũng sẽ được sản xuất vào thời điểm định sẵn. Vì có thể giảm ảnh hưởng của thời tiết và điều chỉnh ánh sáng, nhiệt độ, nước và dinh dưỡng, nên kỳ vọng là nếu điều kiện canh tác được thiết lập phù hợp, kết quả sản xuất cũng sẽ ổn định.
 

Kiểm soát môi trường và kiểm soát sinh trưởng là khác nhau

Tuy nhiên, đối tượng mà hai loại nhà máy xử lý là khác nhau. Ô tô được lắp ráp từ các bộ phận theo thiết kế, nhưng thực vật phản ứng với môi trường và tự tạo nên cơ thể của mình. Ánh sáng và nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng mà còn đến kích thước và hướng của lá, cũng như chiều dài của thân. Hình thái đã thay đổi như vậy lại làm thay đổi điều kiện thực vật tiếp nhận ánh sáng. Thực vật vừa là đối tượng đi qua quy trình sản xuất, vừa là sinh vật sống liên tục biến đổi trong quá trình đó.

Hãy thử nghĩ đến rau diếp. Dù độ sáng của đèn giống nhau, sự phân bố ánh sáng mà cây rau diếp non và cây rau diếp sắp thu hoạch nhận được là khác nhau. Khi lá lớn lên và chồng lên nhau, lá phía trên che lá phía dưới, và thậm chí lá của cây bên cạnh cũng bị ảnh hưởng. Ngay cả những cây được trồng cùng thời điểm, nếu kích thước và cách sắp xếp lá khác nhau thì lượng ánh sáng nhận được cũng khác nhau. Thiết lập chiếu sáng của cơ sở vẫn giữ nguyên, nhưng môi trường mà thực vật trải nghiệm lại thay đổi. Kiểm soát môi trường ở mức ổn định và làm cho sự sinh trưởng của thực vật ổn định không phải là cùng một việc.

Vì vậy, để sản xuất ổn định, ngoài năng lực đưa môi trường về các giá trị mong muốn, còn cần năng lực dự đoán thực vật sẽ phát triển như thế nào trong các điều kiện đó. Chỉ kiểm tra trạng thái hiện tại là chưa đủ. Cần biết lựa chọn hôm nay là giảm chiếu sáng hoặc thay đổi khoảng cách trồng sẽ để lại kết quả gì cho sinh trưởng và thu hoạch sau vài ngày. Câu hỏi chuyển từ ‘có thể kiểm soát môi trường hay không’sang ‘phải tạo ra môi trường như thế nào’.

Cách kiểm chứng chắc chắn nhất là thực sự trồng thử. Tuy nhiên, các điều kiện cần thử nghiệm sẽ nhanh chóng tăng lên. Nếu chia cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ carbon dioxide, và khoảng cách trồng, mỗi yếu tố thành ba mức, rồi so sánh tất cả các tổ hợp thì có 81trường hợp. Nếu tính thêm giống, giai đoạn sinh trưởng, và các thí nghiệm lặp lại, số trường hợp còn nhiều hơn. Cần chuẩn bị không gian cho từng điều kiện và chờ đến lúc thu hoạch, và trong cơ sở đang sản xuất, cũng phải chấp nhận tổn thất do thất bại. Rất khó thử nghiệm trước mọi lựa chọn bằng cây trồng thực tế.
 

Điểm có thể học từ nhà máy ảo của nhà máy ô tô

Nhà máy ô tô cũng không kiểm tra mọi vấn đề chỉ trên dây chuyền sản xuất thực tế. BMWtrong một trường hợp được công bố năm 2025đã giải thích rằng họ sử dụng nhà máy ảo để xem xét trước liệu thân xe mới khi đi qua dây chuyền sản xuất có va chạm với thiết bị xung quanh hay không. Đó là tìm vấn đề trên máy tính trước khi thay đổi thiết bị thực tế. Điều nhà máy thực vật có thể học từ nhà máy ô tô không chỉ là các thiết bị sản xuất tự động hóa. Cách thử nghiệm kết quả của các lựa chọn trước khi sản xuất thực tế cũng đáng để học hỏi.

Trong nông nghiệp, nền tảng của những thử nghiệm ảo như vậy là mô hình cây trồng. Mô hình cây trồng dựa trên các quá trình sinh lý biểu diễn bằng công thức toán học quá trình quang hợp và hô hấp theo môi trường, cùng sự sinh trưởng và phân bổ vật chất. Đó là tính toán xem cây trồng sẽ phản ứng ra sao khi nhập các điều kiện ánh sáng hoặc nhiệt độ khác nhau. Có thể xem xét trước trên máy tính các điều kiện ứng viên khó thử nghiệm hết trong cơ sở thực tế, rồi chọn ra những điều kiện quan trọng trong số đó để thí nghiệm.
 

Mô hình cây trồng·FSPM, tính toán sinh trưởng trước khi thí nghiệm

Đặc biệt, để quyết định vị trí đèn chiếu sáng và khoảng cách giữa các cây trồng, việc cân nhắc cả hình dạng không gian của thực vật sẽ có lợi hơn. Bởi ngay cả khi tổng diện tích lá giống nhau, sự phân bố ánh sáng vẫn thay đổi tùy theo độ cao và góc đặt của lá, cũng như mức độ chồng lấn lên nhau. Công cụ có thể sử dụng khi đó là mô hình thực vật chức năng-cấu trúc, gọi là FSPM(Functional-Structural Plant Model). Đây là mô hình liên kết cấu trúc 3 chiều của lá và thân với các quá trình sinh lý như quang hợp.

Điểm cốt lõi không nằm ở việc vẽ thực vật trông có vẻ giống thật. Mà nằm ở việc tính toán ánh sáng đến từng lá bao nhiêu, và lượng ánh sáng đó được sử dụng cho quang hợp bao nhiêu. Trong mô hình triển khai cả sinh trưởng, sự phân bố ánh sáng thay đổi khi lá mới xuất hiện và lá hiện có lớn lên sẽ được tính toán lại. Đó là xử lý mối quan hệ trong đó môi trường làm thay đổi sinh lý và hình thái, và hình thái đã thay đổi lại ảnh hưởng đến hoạt động sinh lý.

Nếu mở rộng các tính toán như vậy thành bộ mô phỏng, có thể xem xét những câu hỏi như khi nào tưới nước trong quá trình canh tác, và điều chỉnh chiếu sáng vào thời kỳ nào. Nếu liên kết thêm việc tính toán mức tiêu thụ điện và chi phí vận hành của thiết bị, tiêu chí phán đoán cũng sẽ thay đổi. Đó không phải là tìm điều kiện giúp cây lớn nhanh nhất, mà là tìm điều kiện giảm chi phí trong khi vẫn giữ được kích thước mục tiêu và thời điểm thu hoạch. Đây là hướng kết nối dự đoán sinh trưởng với kế hoạch sản xuất.

Việc có bộ mô phỏng không có nghĩa là loại bỏ các thí nghiệm canh tác thực tế. Nó có nghĩa là xác định nên tiến hành thí nghiệm nào trước, và khiến kiến thức thu được từ thí nghiệm được sử dụng lại cho phán đoán tiếp theo. Cũng quan trọng như việc ghi chép môi trường là nghiên cứu đo lường sự thay đổi của lá và rễ, các phản ứng sinh lý và sản lượng thu hoạch cuối cùng. Cần có mối quan hệ trong đó canh tác thực tế kiểm chứng mô hình, và mô hình hướng dẫn thử nghiệm canh tác tiếp theo.

Nhà máy thực vật và nhà máy ô tô giống nhau ở chỗ đều hướng tới sản xuất đồng đều và ổn định. Tuy nhiên, có cùng mục tiêu không có nghĩa là có thể đạt được bằng cùng một cách. Để nhà máy thực vật có được năng suất xứng với tên gọi là nhà máy, cần hiểu rõ hơn phản ứng của thực vật với tư cách sinh vật sống, thay vì đối xử với chúng như các linh kiện. Khi các cơ sở điều chỉnh môi trường được bổ sung công cụ dự đoán sự thay đổi của thực vật, tự động hóa canh tác mới có thể dẫn đến sự ổn định của sản xuất.