TW201616953A - 基於雷射之農業系統 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於使用由雷射光照射之至少一生長箱之室內農業的系統及方法。在該農業系統之一實例性實施例中，提供一生長箱，其具有界定該生長箱之一內部部分的一或多個壁。該農業系統可包含安置於生長箱之該內部部分內之一可移除托盤。該農業系統亦包含可安置於該生長箱外之一光源。該一或多個壁可包含至少一孔徑。該光源經組態以照射該生長箱之該內部部分之至少一部分。在其中該光源安置於該生長箱外之實施例中，該光源經組態以經由該至少一孔徑而將雷射光透射至該生長箱之該內部部分。

Description

基於雷射之農業系統

本發明之實例性實施例大體上係關於室內農業，且更特定言之，本發明之實例性實施例係關於一種使用受激輻射光放大(即，雷射)來使植物生長之系統。

食品安全正成為全球諸多地區之一緊迫問題，此大部分歸因於不適宜植物生長之氣候。就此而言，植物栽培主要依賴兩個重要資源：水及光。前者在諸多地區係稀缺商品(諸如(例如)沙特***王國，該國之不到2%之土地被認為是適宜耕種的)。清潔水之有限供應意謂：其管理及消耗效率係極其重要的。由於在室外耕作中超過95%之水透過蒸發而損失，所以一選項係在一封閉環境中栽培植物。此不僅減小水蒸發率，且使蒸發水分能夠被容納且再循環用於未來植物消耗。因此，室內植物栽培消耗室外耕作所需之水之約10%。

後一資源(光)亦在植物栽培中發揮重要作用。諸多地區具有不適宜之自然光量及強度(例如不利於植物生長之光週期、光量或光質)。因此，在諸多地區，若無法依某一方式調節光源，則室內植物栽培亦係不實際的。用於調節光之一機構採用人造光來代替自然光。為此，室內植物生長箱已使用諸多類型之人造光源，諸如白熾燈泡、氣體放電燈(例如螢光燈)、高強度放電燈(例如高強度鈉氣燈)或電致發光燈(例如發光二極體(LED)燈)。

發明者已發現在室內農業中使用此等人造光源之若干缺陷。第一，此等人造光源必須位於植物生長箱內；然而，產生光亦產生熱，此對植物生命係有害的。將一人造光源放置於一生長箱內增加維持一適當溫度所需之能量。再者，完全溫度調節通常是不切實際的，因此，當將人造光源放置於植物之緊密接近處時，不可避免地會對植物產生一些損壞。第二，使用人造光源之室內垂直農業(其在一生長箱內採用多層植物)通常需要一單獨光源用於各層植物。在一生長箱內使用多個光源會加重加熱問題，且亦增加與發展一室內農業系統相關聯之另一花費。第三，由於植物可在一或多個窄光譜下有效生長，所以產生不利於植物生長之光之波長實際上會浪費能量。第四，此等人造光源具有發明者已將其判定為次最佳之不同程度之「光電轉換效率」(例如一系統將電能轉換為光能之效率)。

如下文將更詳細討論，本發明之實施例繪示有利地解決由傳統室內農業系統(諸如上文所提及之室內農業系統)遇到之諸多問題之一室內農業系統。本文所揭示之實施例繪示採用一外部雷射光源來產生用於使植物在一室內環境中生長之高能量、高效率人造光之一基於雷射之農業裝置。由於雷射光之同調性，將一雷射光源定位於一植物生長箱外且脫離該植物生長箱將解決傳統系統之加熱問題。另外，由於雷射光之高強度，雷射光之一單一光束可經***以照射一垂直農業配置中之多層植物。因此，一雷射光源之使用者無需對各層植物提供一新光源。此外，雷射光源可產生具有一非常窄光譜之光，因此避免產生植物生長不需要之浪費波長。再者，在諸多例項中，雷射光源之光電轉換效率高於上文所討論之人造光源之任何者之光電轉換效率。因此，使用一雷射光源可進一步減少系統之能量耗費。

在一第一實例性實施例中，提供一種農業系統。該農業系統包 含具有界定一內部部分之一或多個壁的一生長箱。該農業系統進一步包含安置於該生長箱之該內部部分內之一托盤，其中該托盤經組態以支撐培養基及一或多個農產品。該農業系統進一步包含一光源，其經組態以使用雷射光來照射該生長箱之該內部部分之至少一部分。

在一第二實例性實施例中，提供一種農業系統，其包含具有界定一內部部分之一或多個壁的一生長箱。該一或多個壁之至少一者包含至少一孔徑，其經組態以將人造光從該生長箱外傳送至該生長箱之內部部分中。此實例性實施例之農業系統進一步包含安置於該生長箱外之一人造光源。此外，此實例性實施例之農業系統包含一或多個光學元件，其等經組態以將人造光從該人造光源經由該至少一孔徑而傳送至該生長箱之該內部部分中。

在另一實例性實施例中，提供一種用於使農產品在一生長箱中生長之方法，該生長箱具有經組態以將雷射光從該生長箱外傳送至該生長箱之一內部部分的至少一孔徑。該方法包含：由安置於該生長箱外之一雷射光源產生可見雷射光，且引導該可見雷射光穿過該至少一孔徑以照射該生長箱之該內部部分。

[發明內容]僅用於概述一些實例性實施例以提供本發明之一些態樣之一基本理解。據此，應瞭解，上文所描述之實施例僅為實例且決不應被解釋為縮小本發明之範疇或精神。應瞭解，本發明之範疇除涵蓋此處所概述之實施例之外，亦涵蓋諸多潛在實施例，下文將進一步描述該等實施例之部分。

200‧‧‧農業系統

202‧‧‧生長箱

204‧‧‧壁

206‧‧‧內部部分

208‧‧‧孔徑

210‧‧‧雷射光

212A‧‧‧雷射光源

212B‧‧‧雷射光源

214‧‧‧平台

216‧‧‧二向色鏡

218‧‧‧漫射器

300‧‧‧農業系統

302‧‧‧生長箱/準直器

304‧‧‧內壁襯層

306‧‧‧內部部分

308‧‧‧植物

310‧‧‧雷射光

312‧‧‧雷射光源

314‧‧‧培養基

316‧‧‧托盤

318‧‧‧漫射器

320‧‧‧水蒸氣/溫度及濕度感測器

322‧‧‧水冷凝塔

328‧‧‧生長箱

330‧‧‧散射光

332‧‧‧反射光

334‧‧‧加熱及冷卻系統

336‧‧‧管道

338‧‧‧規則鋸齒狀錐形結構

340‧‧‧水滴

342‧‧‧空間

402A至402N‧‧‧準直器

404‧‧‧光學元件

406‧‧‧內部部分

408‧‧‧生長箱

408A至408N‧‧‧生長箱

410‧‧‧雷射光

412‧‧‧雷射光源

414‧‧‧紫外線雷射光/紫外線區域

416‧‧‧紫外線雷射光激發紅色磷光體、綠色磷光體及藍色磷光體

418‧‧‧產生白光

418A至418N‧‧‧漫射器

420‧‧‧照射雷射光執行滅菌功能

502‧‧‧生長箱

504‧‧‧層組

506‧‧‧光學元件

600‧‧‧農業系統

700‧‧‧農業系統

702‧‧‧系統整合器及電腦

704‧‧‧光強度感測器

706‧‧‧水循環加熱器/冷卻器

708‧‧‧回饋控制器

710‧‧‧光/射頻(RF)通信感測器

712‧‧‧傳輸元件

802‧‧‧操作

804‧‧‧操作

806‧‧‧操作

808‧‧‧操作

因此，在已概括性地描述本發明之某些實例性實施例之後，現將參考未必按比例繪製之附圖，且其中：

圖1展示繪示光之波長與植物之葉子及其他部分中之色素對該光之吸收之間之關係的一曲線圖； 圖2展示根據本發明之實例性實施例之一實例性農業系統之一示意圖；圖3A展示根據本發明之實例性實施例而繪示另一實例性農業系統之態樣的一示意圖；圖3B展示根據本發明之實例性實施例而繪示又一實例性農業系統之態樣的一示意圖；圖3C繪示可根據本發明之實例性實施例而採用之一實例性加熱及冷卻系統。

圖3D展示根據本發明之實例性實施例之包含一實例性水冷凝塔之一生長箱之一示意圖；圖4A繪示根據本發明之實例性實施例之用於透射雷射光之實例性光學元件之一示意圖；圖4B繪示根據本發明之實例性實施例之一雷射光源及相關聯光學元件之一方塊圖；圖5繪示根據本發明之實例性實施例之一垂直農業配置之一示意圖；圖6繪示根據本發明之實例性實施例之一基於雷射之農業系統之一實例性實施例；圖7繪示一示意圖，其根據本發明之實例性實施例而繪示另一農業系統之元件；圖8繪示根據一些實例性實施例而描述用於對一生長箱滅菌且栽培植物之實例性操作的一流程圖；及圖9繪示根據本文所描述之一實例性實施例之在白色螢光下生長之植物與在紅色雷射光及藍色雷射光下生長之植物之間之視覺差異。

現將在下文中參考附圖來更完全地描述本發明之一些實施例， 該等附圖中展示本發明之一些但非全部實施例。其實，本發明可體現為諸多不同形式且不應解釋為受限於本文所闡述之實施例；確切而言，此等實施例經提供使得本發明將滿足適用法律要求。相同元件符號係指所有圖式中之相同元件。

圖1提供繪示光之波長與植物之葉子及其他部分中之色素對該光之吸收之間之關係的一曲線圖。如圖中所展示，植物最有效率地吸收光之兩個主要波長：紅光及藍光。然而，如吾人可預期，不同植物品種展現光波長之不同組合之光合效率。據此，不同照明配方(其等各含有具有適合比率及強度之兩個或兩個以上波長之一組合)可經實施以栽培不同類型之植物(例如，有色植物(諸如番茄)在不同於綠色植物(諸如包心菜及萵苣)之一組狀況下最有效率地吸收光)，且實施於植物生長及發育之不同階段(例如葉子發育及開花)中。

此事實證實源自於利用一雷射光源之一額外益處。如先前所提及，使用一外置雷射光源減少一生長箱內之熱，能夠在無需增加額外光源之情況下照射多層植物，避免產生不必要之光波長，且可產生比傳統光源更有效率之改良。然而，另外，單一波長性質之雷射光產生使本文所揭示之實施例能夠具體地調諧所產生之雷射光之波長、比率及強度以基於放置於一生長箱中之特定植物品種之光合效率而最佳化植物生長。特定言之，不同於其他光源，雷射光之輻射能量可經微調以匹配植物葉子中之感光體(光感測分子)之吸收峰值。因此，不同於任何其他光源，雷射光源可最大化光合作用能力，同時無需植物「耗費」能量來反射不必要之光波長。

圖2至圖6中繪示可具體經組態以用於室內植物生長之基於雷射之實例性農業系統及裝置。應注意，儘管圖2至圖6繪示特定實例性組態，但下文中此等元件應被視為能夠在不違背本發明之精神或範疇之情況下依諸多其他組態配置。

現轉至圖2，圖中揭示一實例性農業系統之一示意圖。農業系統200繪示具有界定一內部部分206之一或多個壁204的一生長箱202。壁204之一或多者可含有經組態以將雷射光210從生長箱202外傳送至內部部分206中之一孔徑208。此雷射光210可由一或多個外置雷射光源產生，該一或多個外置雷射光源繼而可安置於一平台214或其他支撐結構上。下文結合圖4A而更詳細描述該一或多個雷射光源之實例性實施例。應注意，儘管圖2繪示一單一壁中之一單一孔徑，但本發明之實施例可包含生長箱之壁之一或多者中之多個孔徑以傳送來自複數個外部雷射光源之雷射光210。

在圖2所展示之實例中，展示產生不同波長之雷射光之兩個外部雷射光源212A及212B。應瞭解，如先前相對於圖1所討論，光之窄波長之一組合可刺激植物生長。據此，圖2中所展示之實例繪示雷射光源212A及212B，其等發射具有彼此不同波長之窄波長雷射光。由雷射光源212A及212B發射之雷射光210可穿過安裝於生長箱202之頂部處之一漫射器218，漫射器218使入射雷射光210散射以對生長箱202之內部部分206提供一均勻照明，其繼而促進植物生長。就此而言，在一些實施例中，可使用藉由一保持架總成(或用於將光學元件緊固於適當位置中之任何其他機構)而懸吊之一系列二向色鏡216及其他光學元件(如結合圖4A所更詳細描述)(諸如漫射器(例如擴束器)及/或準直器)來將雷射光210引導至漫射器218。

應瞭解，儘管圖2繪示位於生長箱202外之雷射光源212A及212B，但本文所考量之其他實施例之(若干)雷射光源無需安置於生長箱外。此等實施例無需在任何壁中包含一孔徑。因此，在一些此等實施例中，生長箱可完全封閉內部部分。

現轉至圖3A，一示意圖繪示可與圖2中所描述之實例性系統一起被採用之一實例性農業系統之態樣。農業系統300包含一或多個雷射 光源312及一漫射器318，且亦繪示準直器302，準直器302使進入生長箱302之內部部分306的雷射光310變窄且將雷射光310導引至漫射器318中。隨後，漫射器318使雷射光310散射以確保生長箱302之內部部分306之均勻照明。在雷射光310進入漫射器318之前使雷射光310準直提供在離開漫射器318之後更均勻地照射生長箱302之內部部分306的光。

生長箱302之至少一壁之一內壁襯層304可包括一反射材料以使光子均勻地反射且再循環回至否則將保持無光照之植物組織，諸如下部葉子、莖及花芽。此內壁襯層304可包括具有反射性質之至少一金屬或介電材料。內壁襯層304可具體包括SiO₂、Si₃N₄、鋁或鍍鉻之至少一者。

圖3A進一步繪示放置於一培養基314中之數個植物308，培養基314繼而安置於一托盤316上，植物308、培養基314及托盤316全部位於生長箱302內。在一些實施例中，可(例如)藉由生長箱302之壁之一者中之一入孔徑(圖中未展示)而從生長箱302移除托盤316以能夠放置或移除植物308或培養基314。應注意，儘管若干圖中繪示植物，但可根據本發明之實施例而栽培其他農產品。例如，本文所描述之實施例可用於水產養殖，在該情況中，雷射光可用於刺激安置於生長箱中之液體培養基內之魚、水生生物及/或水生植物之養殖。

生長箱302可進一步包含：一加熱及冷卻系統(圖3B及圖3D中繪示其之實例)，其經設計以調節生長箱302之內部部分306中之溫度；及一增濕器(圖3A中未展示)，其經設計以調節內部部分306內之濕度。此外，生長箱302可包含用於溫度及濕度調節之溫度及濕度感測器(圖3A中共同展示為元件320，儘管其等在一些實施例中可被單獨定位)、及一警報器(圖中未展示)。該加熱及冷卻系統及該增濕器通常將維持生長箱內之部部分306內之最佳生長狀況。可由控制該加熱及冷 卻系統及該增濕器之操作的一系統整合器/電腦(例如圖7中所展示之電腦702)監測此等狀況。在一些實施例中，回應於該溫度感測器(例如一溫度計)量測到生長箱302內之一溫度超出一預定範圍，該系統整合器/電腦可修改該加熱及冷卻系統之操作以對該溫度變化作出反應。另外或替代地，該溫度感測器可觸發該警報器，其可引起產生一視覺或聽覺信號以促進技術員注意該問題。類似地，回應於該濕度感測器量測到生長箱302內之一相關濕度超出一預定範圍，該系統整合器/電腦可修改該增濕器之操作以對該濕度變化作出反應，及/或該濕度感測器可觸發該警報器以對技術員發出信號。

圖3A進一步繪示生長箱302之一上區域處之一水冷凝塔322，下文將結合圖3C而更詳細描述水冷凝塔322。

應瞭解，儘管圖3A繪示具有一單層植物之生長箱302，但在由本發明考量之其他實施例中，生長箱302可包含多層植物(及伴隨之培養基314及托盤316)。儘管在一些多層實施例中，可在整個生長箱之頂部處存在一單一冷凝塔322，但在其他實施例中，可存在隨附於各層植物之一冷凝塔，或此外，可藉由將多個生長箱302堆疊於彼此之頂部上而實施層。如將結合圖4A而討論，一單一雷射光源312可照射所有層之植物，不管該等植物是否位於一單一生長箱302或多個不同生長箱內。

現轉至圖3B，圖中繪示另一實例性生長箱328之另一示意圖。如圖3B中所繪示，由漫射器318傳達之散射光330可照射生長箱328。接著，生長箱之壁可反射散射光330，且此反射光332可照射否則將無法被照射之植物之下部分(例如莖、下部葉子及嫩枝)，因此促進位於生長箱328中之植物或農產品之更佳生長及發育。此外，圖3B繪示經設計以調節生長箱328之內部部分中之溫度的一加熱及冷卻系統334，下文將結合圖3C而更詳細描述加熱及冷卻系統334。

現轉至圖3C，圖中繪示可根據本發明之實例而採用之一實例性加熱及冷卻系統334之一示意圖。如圖3C中所展示，管道336可安裝於一生長箱之外壁與內壁之間之空間中。此等管道可由具有5℃至8℃之一△T之材料(例如銅或鋁)製成，且可經設計以使一氣體或液體(例如水)循環以維持生長箱之內部部分內之一恆定溫度。

現轉至圖3D，圖中繪示包含一實例性水冷凝塔322之一生長箱之一示意圖。如圖3D中所展示，生長箱之水冷凝塔322之一內表面可經特別設計以包含促進來自土壤及/或植物之蒸氣之冷凝的複數個規則鋸齒狀錐形結構338。當水蒸氣320從植物蒸發時，其上升至其中安置水冷凝塔322之生長箱之頂部。水蒸氣320在構成水冷凝塔322之內壁之錐形結構之間之空間342中冷凝成水滴340，接著，水滴340沿生長箱之內壁下滑且返回至培養基中。依此方式，農業系統能夠使否則將透過蒸發而損失之水再循環。

在圖4A中，一示意圖繪示用於產生雷射光410且將雷射光410透射至一生長箱408之內部部分406的一雷射光源412及一組實例性光學元件404。如上文圖2及圖3A至圖3D中所展示，雷射光源可位於一對應生長箱外且脫離該對應生長箱。

現轉至一雷射光源412(其可包括上文所討論之雷射光源212A、212B及312)之一描述，本文所使用之術語「雷射」係受激輻射光放大之一首字母縮寫詞。因此，雷射光源412可包含產生雷射光之任何機構，其包含脈衝雷射源(諸如Q切換雷射或鎖模雷射)或任何其他雷射光源(其可在連續波或脈衝狀況中操作)。雷射光源412可進一步包含：任何雷射衍生物，諸如超連續譜(supercontinua)；或任何機構，其從另一裝置接收光且將該光轉換為適合與本文所揭示之實施例一起使用之雷射光。由於先前所描述之理由，雷射光源412之首要用途係：能夠產生具有足夠同調性之光，使得該光可有效率地透射至一生 長箱408之內部部分306中。

雷射光源412可產生連續波雷射光。連續波雷射光源之實例係二極體泵浦固態雷射、氣體雷射、染料雷射及半導體二極體雷射。例如，雷射光源412可包括配置於一面板或一燈泡中之一或多個半導體二極體雷射。就此而言，此等半導體二極體雷射之光電轉換效率可超過60%(相比而言，最有效率之LED光源僅具有不高於20%至30%之光電轉換效率)。

替代地，雷射光源412可產生脈衝雷射光。脈衝雷射光源之實例包含Q切換雷射及鎖模雷射。具有由函數產生器調變之開關級之連續波雷射光源亦可產生脈衝雷射光，如同連續波雷射光源可使用由一驅動器電路調變之注入電流產生脈衝雷射光。

使用脈衝雷射光之一主要益處係：可藉由調諧雷射光源412之脈衝長度以匹配葉子中之感光體之反應時間而產生效率之額外增益。雷射光源412可進一步經組態使得脈衝發生於等於或長於植物感光體受激所花費之時間(即，光穿過植物細胞壁及隔膜且進入細胞溶質及葉綠體(其中稱為感光體之光偵測分子對光作出反應)所花費之時間)的時間間隔處。因此，一脈衝雷射光源能夠最小化光子浪費且進一步提高農業系統之能量效率。

雷射光源412可進一步對節能植物生長具體提供具有一可控劑量(功率及時間)之廣泛同調單一波長光。橫跨光之一寬光譜之光之特定波長(例如，在445nm及671nm處)可經選擇以對植物生長提供具有適合強度及比率之光之一最佳組合。例如，如圖4B中所展示，由雷射光源412產生之光波長之一些組合可包含紫外線區域414中之雷射光。如圖4B中之420處所繪示，當發射具有低於380nm且更有利地低於300nm之波長的紫外線雷射光414時，照射雷射光410執行一滅菌功能以殺死一生長箱及其內所含之任何液體培養基內之諸多致病微生物， 因此無需使用化學品(諸如殺蟲劑)。替代地，如圖4B中之416處所繪示，結合施加一高電壓(hv)，紫外線雷射光可激發紅色磷光體、綠色磷光體及藍色磷光體，其繼而產生白光(如418處所展示)。白光可因任何實際目的(諸如(例如)臨時檢測生長箱之內部或安置於生長箱內之內含物)而用於照射生長箱。

在一些實施例中，雷射光源412可包含一或多個不同雷射光源，其等之各者產生具有一特定波長之雷射光。依此方式，根據一特定生長箱之內含物，雷射光源412可利用複數個不同雷射光源來提供藉由對應數目個特定光波長之照明。

另外或替代地，雷射光源412之波長可為可調諧的，使得任何組成雷射光源可經調諧以依一特定所要頻率產生雷射光(例如，在一些情況中可產生445nm之雷射光的一雷射光源可經調諧以產生440nm之雷射光，其可為更適合於一些植物品種之一波長)。類似地，可藉由調變注入至雷射光源412之功率而修改雷射光之強度以提供適合於將被照射之層之數目的光強度。依此等方式，雷射光410之特性可經調適以具體適應不同類型之植物或不同階段之植物生長之要求以達成所要生長形態(例如，針對闊葉、早期開花等等)。

未必在每個實施例中需要圖4A中所繪示之光學元件404(例如，在一些實施例中，雷射光源412本身可發射經由自由空間而穿行至一生長箱中之雷射光410)。然而，在一些實施例中，此等光學元件404可包括用於將雷射光引導至生長箱之一或多個反射鏡及/或任何數目個其他光學元件，諸如光纖、二向色鏡、分束器、漫射器、準直器、旋轉截光器(用於光能之慢調變)、具有反射器之旋轉截光器(用於依時移間隔依序照射多個生長箱)、或其等之任何組合。為此，具有相對較低光損失之塑膠光纖亦可用於將雷射光引導至生長箱中。在一些實施例中，光纖及自由空間傳輸可根據農業系統所處之環境之特定特徵 而聯合使用。不論用於引導雷射光410之光學元件404如何，圖4A進一步繪示：由雷射光源412產生之雷射光410可經數次***且被導引至一系列生長箱408A至408N。各生長箱可包含一對對應準直器及漫射器(分別為402A至402N及418A至418N)。此等準直器-漫射器對之各者可提供一單層植物之均勻照明。據此，本文所描述之實施例係節能的且可用於容易地衡量系統之生產能力。

圖5提供繪示具有多層植物之本發明之一垂直農業配置的一示意圖。在圖5所描繪之實例性實施例中，提供一系列層，且在不違背本發明之精神或範疇之情況下，此組層504可包含任何數目個層。再者，一系列光學元件506可用於將雷射光從連接至光學元件506之一外部雷射光源引導至設置於一生長箱502中之層之各者。圖5中所繪示之配置比傳統垂直農業設計節約能量及成本，此係因為其在無需將光面板安裝於各層之頂部處之情況下提供至多層植物之照明。另外，藉由將雷射光源定位於生長箱外，由雷射光源產生之熱將不會被傳遞至生長箱中，而在傳統配置中，熱將從與各層植物相關聯之光之各面板傳遞。據此，圖5中所繪示之實施例無需不斷冷卻生長箱，此係由使用傳統人造光源(諸如螢光燈及LED)之現有技術呈現之主要問題之一。

現轉至圖6，一示意圖繪示描繪上述實施例之諸多元件之結合的一實例性農業系統600。例如，除使用外部雷射光源及相關聯光學元件(如上文結合圖2至圖4B所描述)之外，圖6中所展示之農業系統進一步利用一垂直農業配置，如結合圖5所描述。然而，應瞭解，可在不違背本發明之精神或範疇之情況下依任何組合方式利用本文所描述之特徵之任何者。

圖7繪示根據本發明之實例而描繪又一實例性農業系統700的一示意圖。如圖7中所繪示，可由包括一電腦702之一系統整合器控制農業系統700，電腦702可包含一處理器、一記憶體、輸入/輸出電路及 通信電路。該處理器可包含一或多個處理裝置，且該記憶體可為包括一或多個揮發性及/或非揮發性記憶體之一非暫時性電子儲存裝置(例如一電腦可讀儲存媒體)。該記憶體可經組態以儲存指令，該等指令在由該處理器執行時引起電腦702根據本發明之實例性實施例而實施各種功能。該輸入/輸出電路可包括使一使用者能夠與電腦702通信及/或將指令提供至電腦702之一或多個裝置(例如一滑鼠、鍵盤、麥克風、顯示器及/或其類似者)，且該通信電路可包括使電腦702能夠與農業系統700之其他元件通信(且直接操作農業系統700之其他元件)之一網路介面。

農業系統700可進一步包含即時監測生長箱內之植物發育階段、水位及/或其他環境狀況之感測組件。就此而言，農業系統700可包含安置於一生長箱之內部部分內之溫度及濕度感測器320(如先前所描述)及一光強度感測器704。農業系統700可進一步包含：一加熱及冷卻系統(如先前所描述)，諸如水循環加熱器/冷卻器706；及一回饋控制器708，其可操作地控制雷射光源212。另外，(若干)光/射頻(RF)通信感測器710可經組態以經由基於光及/或射頻(RF)(例如Li-Fi及Wi-Fi)之通信感測器710而偵測反射或透射光。接著，可將此資訊傳至系統整合器及電腦702以進行進一步處理(例如，在一些實施例中，經由一傳輸元件712，諸如一天線或其他無線通信儀器；或在其他實施例中，經由一有線連接)。在操作中，系統整合器及電腦702可從溫度及濕度感測器320、光強度感測器704及/或(若干)光/RF通信感測器接收信號，且可指導水循環加熱器/冷卻器706及回饋控制器708之操作(經由通信電路)以使生長箱之內部部分內之溫度、濕度及光強度狀況適中。再者，在其中採用一可調諧雷射光源之一些實施例中，電腦702可指導回饋控制器708基於由(若干)光/RF通信感測器710偵測之資訊及/或在任何給定時間放置於生長箱內之農產品之類型之一接收指示 而改動由雷射光源產生之雷射光之波長。

圖8繪示含有由本文所描述之實施例執行以對一生長箱202滅菌且使農產品生長之一系列操作的一流程圖。在操作802中，雷射光源212產生具有低於380nm且更有利地低於300nm且最有利地介於220nm至300nm之間之一波長的紫外線雷射光。在操作804中，由農業系統之光學元件將此紫外線雷射光引導至生長箱202之內部部分206中以對生長箱202滅菌。由於紫外線輻射殺死任何存活微生物，所以操作804之執行使得無需使用殺蟲劑。隨後，程序前進至操作806。

在操作806中，雷射光源212產生用於使生長箱202中所含之植物生長之可見雷射光。此可見雷射光較佳地包含具有440nm至490nm之間之一波長的紅光及具有650nm至680nm之間之一波長的藍光，但所選擇之實際波長有利地經選擇以最大化生長箱202中所含之植物或其他農產品之光合效率，且據此可超出此等範圍。可見雷射之光功率較佳地在80μmolm^-2s^-1至400μmolm^-2s^-1內，但如同波長光，光功率可被有利地調高或調低以提供使生長箱202內所含之特定植物或其他農產品之生長最佳化之一流體量。可見雷射光可包括一連續波雷射光，或可為脈衝式的。植物感光體需要時間來將光能轉換為用於光合作用之能量。因此，使用可見雷射光之脈衝來取代一連續波，農業系統可藉由在植物不會利用照射光之時期期間避免照射植物感光體而節能。再者，利用脈衝雷射光可減少由雷射光源產生之熱量。如同雷射光之波長及光功率之選擇，可基於生長箱202中所含之植物品種之感光體品質之知識而有利地選擇由雷射光源212使用之脈衝頻率。

最後，在操作808中，光學元件將可見雷射光引導至生長箱202之內部部分206中，其中一漫射器使可見雷射光散射以照射生長箱202中所含之植物。操作806及808可無期限地連續，但程序可返回至操作802以對生長箱202週期性地消毒。

本文所描述之實施例繪示經設計以使用兩個波長之光(紅光及藍光)來照射一生長箱中之植物的一農業系統。利用本文所描述之一特定實施例來執行之一試驗證實：僅使用兩個波長之光(紅光及藍光)來照射之植物可依類似於由寬光譜白光照射之植物之方式完成從發芽直至開花之一完整生長週期。在該試驗中，首先允許***芥植物在白色螢光下生長至少兩周，接著使其在以下狀況下暴露於雷射光七天。使用僅在寬光譜白色螢光下生長之植物作為控制。使用雷射光(90%紅光(671nm)及10%藍光(435nm))來使剩餘植物生長。根據上文所描述之實例性實施例，白色螢光燈安裝於生長箱之頂部中，同時紅色雷射光及藍色雷射光源自生長箱外，且接著經混合，引導且漫射至生長箱中。光源遞送40μmolm^-2s^-1至100μmolm^-2s^-1之一流體，且實驗提供依22℃之一溫度及50%至60%之一相對濕度遞送連續光七天之一方案。

以下表1及圖9中概述試驗之結果。

表1繪示控制組與RB雷射光下生長之植物之間之各種生長度量之一比較。不同植物組證實葉子形態、明暗度、抽薹時間、花青素及葉柄之表型差異。然而，RB雷射光下生長之植物之物理參數僅包含略微減小之鮮重及乾重。類似地，儘管RB雷射光下生長之植物之生化物質含量證實葉綠素含量略微少於比白色螢光下生長之植物之葉綠素含量，但組間之類胡蘿蔔素含量不存在顯著差別。此外，圖9繪示植物之間之視覺差異。如表1中所提及，雷射生長植物(圖9之右側上)展現不同於白色螢光下生長之植物的表型。

此等結果表明：模型植物***芥可僅在具有85%紅光對15%藍光之一最佳化比率之兩種單色光(紅光及藍光)下健康生長。

如上文所描述，本發明之某些實例性實施例可減少由照射生長箱中之植物之人造光源產生之熱，因此減少調節生長箱之溫度所需之能量。類似地，使雷射光***以照射多層植物之能力可使一垂直農業系統之成本及熱影響顯著小於傳統設計。此外，由雷射光源產生之光之非常窄光譜避免產生植物生長不需要之光之波長之能量浪費。另外，由於雷射光源之光電轉換效率極高，所以本發明之實施例進一步減少系統之能量耗費。

本發明之實施例進一步更廣泛地惠及社會。在中東(且尤其在沙特***王國)，農民可受益於節水且增加單位土地面積之農作物產量(由具成本效益之垂直農業實現)，同時亦能夠種植通常需進口之農作物/水果/鮮花，此係因為室內農業可提供任何農作物所需之溫度、濕度及光參數。繼而，消費者亦可受益，此係因為本地生長之新鮮農 作物將歸因於運輸成本減少而具有較低成本。在陽光有限之地區，此技術亦可整年對農業活動提供人造燈光且不依賴天氣。最後，在實體空間有限之區域，上文所揭示之實施例可減少成本且增加垂直農業之效率。

已受益於以上描述及相關聯圖式中所呈現之教示之本發明所屬領域之熟習技術者將想到本文所闡述之本發明之諸多修改及其他實施例。因此，應瞭解，本發明不受限於所揭示之特定實施例且該等修改及其他實施例意欲包含於隨附申請專利範圍之範疇內。再者，儘管以上描述及相關聯圖式在元件及/或功能之某些實例性組合之內文中描述實例性實施例，但應瞭解，可在不違背隨附申請專利範圍之範疇之情況下由替代實施例提供元件及/或功能之不同組合。就此而言，例如，亦考量不同於上文明確所描述之元件及/或功能之組合的元件及/或功能之組合，如可在隨附申請專利範圍之部分中闡述。儘管本文採用特定術語，但其僅用於意指一般性及描述性，而非為了限制。

200‧‧‧農業系統

202‧‧‧生長箱

204‧‧‧壁

206‧‧‧內部部分

208‧‧‧孔徑

210‧‧‧雷射光

212A‧‧‧雷射光源

212B‧‧‧雷射光源

214‧‧‧平台

216‧‧‧二向色鏡

218‧‧‧漫射器

Claims (10)

1. 一種農業系統，其包括：一生長箱，其具有界定該生長箱之一內部部分的一或多個壁；一托盤，其安置於該生長箱之該內部部分內，該托盤經組態以支撐培養基及一或多個農產品；一光源，其經組態以使用雷射光來照射該生長箱之該內部部分之至少一部分；及一電腦，其經組態以控制來自該光源之該雷射光之波長及強度。
2. 如請求項1之農業系統，其中該光源安置於該生長箱外，其中該一或多個壁之至少一者包含經組態以將該雷射光從該生長箱外傳送至該生長箱之該內部部分中之至少一孔徑，且其中該光源經組態以經由一或多個光學元件及該至少一孔徑而將該雷射光透射至該生長箱之該內部部分中。
3. 如請求項1之農業系統，其進一步包括：一漫射器，其懸吊於該生長箱之該內部部分內且經組態以使雷射光散射；及一準直器，其安置於該封閉生長箱內且經組態以將雷射光傳達至該漫射器。
4. 如請求項1之農業系統，其進一步包括：一或多個額外托盤，其等安置於該生長箱之該內部部分內；及一或多個光學元件，其等經組態以導引從該光源接收之雷射 光朝向該托盤及該一或多個額外托盤。
5. 如請求項1之農業系統，其中該生長箱之至少一壁之一內壁襯層包括至少一反射材料、至少一金屬材料、至少一介電材料或其等之一組合。
6. 如請求項1之農業系統，其中該封閉生長箱之一上部分包括一水冷凝塔。
7. 如請求項1之農業系統，其進一步包括：一加熱及冷卻系統，其經組態以調節該生長箱內之溫度。
8. 如請求項1之農業系統，其進一步包括：一增濕器，其經組態以調節該生長箱內之濕度；一濕度感測器，其監測該生長箱內之該濕度；及一電腦，其經組態以至少部分基於從該濕度感測器接收之量測而控制該增濕器；及一警報器，其經組態以在其中該濕度感測器量測到該生長箱之該內部部分內之一濕度超過一預定範圍的一狀況中觸發。
9. 一種農業系統，其包括：一生長箱，其具有界定該生長箱之一內部部分的一或多個壁，該一或多個壁之至少一者包含經組態以將人造光從該生長箱外傳送至該生長箱之該內部部分中之至少一孔徑；及一人造光源，其安置於該生長箱外；及一或多個光學元件，其等經組態以將人造光從該人造光源經由該至少一孔徑而傳送至該生長箱之該內部部分中；及一電腦，其經組態以控制來自該人造光源之該人造光之波長及強度。
10. 一種用於使農產品在一生長箱中生長之方法，該生長箱具有經組態以將雷射光從該生長箱外傳送至該生長箱之一內部部分的 至少一孔徑，該方法包括：由安置於該生長箱外之一雷射光源產生可見雷射光，其中由一電腦控制該雷射光之一波長及強度；且引導該可見雷射光穿過該至少一孔徑以照射該生長箱之該內部部分。