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作者：中科院物理所新媒體中心

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所 研究員

提到“養(yǎng)豬場(chǎng)”，你的第一反應(yīng)會(huì)是什么？

偏遠(yuǎn)的郊區(qū)，用籬笆圍出一片場(chǎng)地，里面圈養(yǎng)著許多豬崽，飼養(yǎng)員抱著一個(gè)大籮筐走來(lái)，掂起勺子，向木制的槽口中撒下飼料，豬崽們便哼唧哼唧得擠上前來(lái)，拱著鼻子相互奪食？

似乎在我們的傳統(tǒng)觀念中，養(yǎng)豬就是這樣的，從凌亂臟污的環(huán)境，到洗圈喂食的勞作，無(wú)一不裹挾著舊年代的氣息，蒙上老照片般褪黃的色影。

可如果，我告訴你，很多小豬其實(shí)都已經(jīng)住進(jìn)了智能化樓房，甚至每天刷臉進(jìn)餐，還能享受音樂(lè)按摩呢？

是不是，沒(méi)想到！

事實(shí)上，隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)的生豬養(yǎng)殖業(yè)正在進(jìn)行著巨大變革。除了改善豬崽的生長(zhǎng)環(huán)境，豬場(chǎng)還嘗試了一系列的黑科技，比如：

AI豬臉識(shí)別？

無(wú)線射頻自動(dòng)飼喂機(jī)？

納米合成豬飼料...？

接下來(lái)，就讓我們一起走近智能化豬場(chǎng)，來(lái)看看這些科技，究竟有多“黑”？

01?AI豬臉識(shí)別

不知道你有沒(méi)有留意過(guò)，同一品種的小豬豬，都長(zhǎng)得十分相像。我們必須對(duì)每一只小豬都進(jìn)行體重、進(jìn)食量等數(shù)據(jù)的追蹤記錄，才能判斷它的生長(zhǎng)狀態(tài)，可如果只靠飼養(yǎng)員的肉眼去分辨，那幾乎是不可能分清成百上千頭豬豬的，因此，對(duì)每頭豬進(jìn)行身份識(shí)別是必需的。

在以往的養(yǎng)豬過(guò)程中，一般是在豬耳朵上做標(biāo)記，但這種方法需要人工記錄所有數(shù)據(jù)，效率很低，也很容易出錯(cuò)。

為了解決這一傳統(tǒng)困境，我們想到了將人臉識(shí)別的相關(guān)技術(shù)遷移至豬臉識(shí)別，但就像剛剛提到的那樣，豬的近親繁殖使得個(gè)體相似度很高，無(wú)形中提高了計(jì)算機(jī)視覺(jué)算法的技術(shù)壁壘，因此，豬臉識(shí)別技術(shù)，似乎就像是一場(chǎng)夢(mèng)。

讓人驚喜的是，近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，豬臉識(shí)別算法終于有了質(zhì)的突破，一些大型養(yǎng)殖場(chǎng)甚至開(kāi)始引入了豬臉識(shí)別系統(tǒng)。

那么，聽(tīng)上去如此神奇的豬臉識(shí)別系統(tǒng)，到底是怎么運(yùn)行的呢？

首先，現(xiàn)在的智能化養(yǎng)豬場(chǎng)會(huì)給每頭豬創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)云端數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)它們進(jìn)行2-3段的視頻拍攝，由算法提取有效的身份信息，生成一串對(duì)應(yīng)的電子ID，儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

這也就意味著，這些豬崽也擁有了自己的身份證號(hào)，是不是很厲害！

在給小豬崽們辦理好身份證后，還需要在豬舍頂端安裝軌道機(jī)器人，機(jī)器人會(huì)沿著軌道，定時(shí)定點(diǎn)巡邏，使用前端配置的攝像頭，對(duì)豬臉進(jìn)行掃描采集，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提取出豬臉中的重要特征，然后和預(yù)先存儲(chǔ)的豬臉信息進(jìn)行匹配，篩選出擬合程度最高的一組數(shù)據(jù)，從而確定最終的電子ID，這樣，就可以識(shí)別出這到底是哪一只小豬。

識(shí)別出身份以后，再配合各類(lèi)傳感器，記錄下小豬的重量、體溫、進(jìn)食量等信息，自動(dòng)上傳到云端，將一些重要數(shù)值顯示在中央控制面板上，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2018年8月，非洲豬瘟疫情在我國(guó)首次爆發(fā)，之后影響持續(xù)擴(kuò)散，上億頭豬崽感染瘟疫去世，很多豬場(chǎng)都因此處于破產(chǎn)倒閉的邊緣，更讓人揪心的是，疫苗至今還在研發(fā)中，非洲豬瘟仍未得到徹底的解決。

就在這樣的緊迫關(guān)頭，一些大型豬場(chǎng)大膽嘗試，引進(jìn)了豬臉識(shí)別技術(shù)，人為設(shè)定體溫、進(jìn)食量等參數(shù)的閾值后，由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別出體溫異常、食欲不振的豬崽，再由中央控制面板進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，工作人員看到紅色預(yù)警后，就可以在第一時(shí)間，對(duì)這些被標(biāo)了‘黃碼’的豬崽進(jìn)行隔離和檢測(cè)，確定他們是否真的感染了瘟疫。

因此，從某種程度上來(lái)說(shuō)，豬肉價(jià)格逐漸回落到正常狀態(tài)，這里面也有豬臉識(shí)別的一份功勞。

02 無(wú)線射頻

由于技術(shù)門(mén)檻較高，引入整套的豬臉識(shí)別技術(shù)，需要不少資金的投入，因此目前還沒(méi)有被養(yǎng)豬場(chǎng)大規(guī)模使用。但是，接下來(lái)要介紹的無(wú)線射頻技術(shù)，可以說(shuō)是已經(jīng)比較成熟了，可能你也早有耳聞，畢竟早在二十一世紀(jì)初，它就在物流管理、交通監(jiān)控等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用了，只不過(guò)對(duì)于生豬養(yǎng)殖而言，還是比較新鮮的玩意兒。

一般來(lái)說(shuō)，最基本的無(wú)線射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)系統(tǒng)，主要包括射頻卡和讀寫(xiě)器兩部分。射頻卡中含有一塊芯片，用于儲(chǔ)存識(shí)別信息和數(shù)據(jù)，芯片外圍則連接著天線。讀寫(xiě)器包括收發(fā)天線、收發(fā)模組和控制電路，能夠在一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)向外輻射電磁波，當(dāng)射頻卡經(jīng)過(guò)該區(qū)域的時(shí)候，就會(huì)接收讀寫(xiě)器發(fā)射出的電磁波并產(chǎn)生感應(yīng)電流，將存儲(chǔ)的編碼信息以無(wú)線電波的形式傳送給讀寫(xiě)器，由讀寫(xiě)器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)解碼，發(fā)送給中央管理服務(wù)器。

基于這樣的無(wú)線射頻技術(shù)，各大養(yǎng)豬場(chǎng)開(kāi)始引入各種自動(dòng)化設(shè)備，我們就以生豬自動(dòng)飼喂儀器為例，來(lái)看看它的運(yùn)作原理。

首先，需要在每只豬崽的耳朵上打洞穿孔，佩戴電子耳標(biāo)，這個(gè)電子耳標(biāo)就是上文所說(shuō)的“射頻卡”。接著，當(dāng)豬崽需要進(jìn)食的時(shí)候，就從進(jìn)食定位欄入口進(jìn)入，來(lái)到自動(dòng)投喂裝置的面前。等感受到豬崽的靠近后，裝置上方的讀卡器就開(kāi)始自動(dòng)讀取它們的電子耳標(biāo)，提取該生豬的身份信息，反饋給中央管理器，系統(tǒng)根據(jù)這只生豬的身體數(shù)據(jù)記錄，對(duì)自動(dòng)投喂裝置發(fā)出指令，為該豬崽投放特定的種類(lèi)和數(shù)量的飼料，等豬崽進(jìn)食完畢，從定位欄出口出去后，系統(tǒng)再自動(dòng)識(shí)別出食槽內(nèi)剩余的重量，計(jì)算出豬崽的進(jìn)食量后上傳記錄。

仔細(xì)對(duì)比就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這和豬臉識(shí)別有異曲同工之妙，最關(guān)鍵的地方都在于想辦法識(shí)別出豬崽的身份，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，只不過(guò)無(wú)線射頻技術(shù)的投入成本會(huì)小很多。但由于需要在豬耳朵上強(qiáng)制性植入電子耳標(biāo)，這就容易引起豬崽的不適。

就像狗狗總喜歡蹭著墻角，把我們給它們穿上的小衣服脫掉一樣，豬崽將標(biāo)簽?zāi)€咬斷的情況也時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重的還會(huì)造成耳朵的局部感染。

如果說(shuō)，在豬崽上植入電子標(biāo)簽的方式，還存在上面提到的一些弊端的話，在豬飼料加工過(guò)程中，運(yùn)用無(wú)線射頻技術(shù)，就完全沒(méi)有這種擔(dān)憂了。

換句話說(shuō)，現(xiàn)在就連生豬吃的這些飼料，也是利用無(wú)線射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。傳統(tǒng)的飼料加工廠房?jī)?nèi)，一般需要多名員工在流水線上，對(duì)每一種原料進(jìn)行登記稱(chēng)量，按照比例投放入儀器中加工合成，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以精準(zhǔn)把握投放的數(shù)量，嚴(yán)重的失誤操作可能會(huì)有粉塵爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。

(豬飼料加工中RFID應(yīng)用示意圖)

如今，利用無(wú)線射頻技術(shù)，就可以將每種原料都匹配上電子射頻卡，在投料倉(cāng)安裝讀取器，當(dāng)原料進(jìn)入投料倉(cāng)時(shí)，自動(dòng)讀取原料信息并分配計(jì)量秤，按配方需求進(jìn)行混合加工，最后自動(dòng)包裝并打印標(biāo)簽，并將結(jié)果上傳數(shù)據(jù)庫(kù)。由于每一種原料都有自己的電子ID，每一步都有數(shù)據(jù)記錄，所以如果最后有飼料出現(xiàn)了問(wèn)題，就可以通過(guò)查詢(xún)加工記錄，追根溯源，實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)控。

03 納米合成

既然都提到了飼料加工，那就不得不說(shuō)一說(shuō)，現(xiàn)在的“納米級(jí)豬飼料”。沒(méi)錯(cuò)，豬飼料也不再是曾經(jīng)黃色的粉末狀粗糙顆粒，很多飼料添加劑都融入了納米合成技術(shù)，尤其是維生素，顆粒直徑可以達(dá)到百納米級(jí)別。

豬崽的健康生長(zhǎng)需要各種維生素，因此維生素在豬飼料配方中是必不可缺的一種添加劑，但一般的維生素在空中易氧化水解，最終被母豬吸收的利用率很低，而試驗(yàn)研究表明，納米級(jí)液體維生素更容易被吸收，可以顯著提高母豬的繁殖性能，改善豬肉肉質(zhì)。

這種納米級(jí)液體維生素，在加工過(guò)程中，主要利用了納米技術(shù)和微乳工藝，同時(shí)使用由磷脂、膽固醇和蛋白組成的仿生物膜，對(duì)維生素進(jìn)行瞬間生物膜深層次包埋，形成粒徑在30-100納米級(jí)化自組裝結(jié)構(gòu)。由于具有優(yōu)良的生物親和力，使得納米級(jí)維生素能夠快捷跨膜吸收，提高利用率。

為了驗(yàn)證現(xiàn)在的豬飼料維生素是否真的達(dá)到了納米量級(jí)，小編聯(lián)系了一家飼料生產(chǎn)商，拿到了兩種維生素樣品，分別是納米制劑和普通乳劑。理論上而言，兩者的區(qū)別主要有以下這幾點(diǎn)：

丁達(dá)爾效應(yīng)是指：當(dāng)波長(zhǎng)在400-700nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光，通過(guò)直徑在1-100nm左右的膠體時(shí)，光束被其中懸浮的顆粒散射，使得光向四面八方傳播，于是從垂直入射光方向就可以觀察到膠體中出現(xiàn)一條光亮的“通路”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，光在膠體中的散射，使得光路“可見(jiàn)”。

基于此原理，我們首先用丁達(dá)爾效應(yīng)去簡(jiǎn)單驗(yàn)證一下，下面是實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果：

（丁達(dá)爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖）

左邊乳白色的，是普通維生素乳劑，右邊淡黃色的，是納米級(jí)維生素水溶液，當(dāng)我們用波長(zhǎng)為650nm的紅色激光筆去照射這兩種樣品時(shí)，納米級(jí)液體維生素出現(xiàn)了一條明顯的完整光路，普通乳中也出現(xiàn)了一段光路，但是光路短且不清晰，透光性比較差，原因是它們的顆粒尺寸較大，對(duì)光的阻礙較多，所以產(chǎn)生的光路很短。

由此，可以初步判斷，納米級(jí)液體維生素的顆粒尺寸，大概在幾百納米量級(jí)，為了更加精確得判斷，我們對(duì)樣品進(jìn)行了特殊制樣，接著在掃描電子顯微鏡下觀察了顆粒的形貌，得到的SEM掃描圖如下：

左圖是用比較小的放大倍率，在大視野范圍下觀察樣品形態(tài)，每單位標(biāo)尺是0.5μm，可以發(fā)現(xiàn)被紅框圈出的顆粒直徑在500納米以下，為了更精確得出它的直徑大小，我們對(duì)此區(qū)域進(jìn)行放大觀察，得到右圖，每單位標(biāo)尺是0.2 μm，這個(gè)顆粒直徑大約是半個(gè)標(biāo)尺，也就是在100納米左右。

由此可見(jiàn)，所謂的“納米級(jí)豬飼料”確實(shí)名副其實(shí)，并不只是一種銷(xiāo)售噱頭。

現(xiàn)在，想必大家對(duì)養(yǎng)豬的印象一定是大有不同了！

如此說(shuō)來(lái)，老人家弓著身子，在葡萄藤下挑揀出癟的玉米粒，和家中的剩菜剩飯攪拌在一起裝桶，蹣跚著走向豬圈的場(chǎng)景，難免會(huì)離我們?cè)絹?lái)越遠(yuǎn)，最終被定格在泛黃的老照片中，烙上獨(dú)有的年代印記。

也許你會(huì)唏噓一個(gè)舊時(shí)代的逝去，也許你會(huì)期許一個(gè)新時(shí)代的降臨。

我們很難去說(shuō)清，對(duì)于這樣的科技發(fā)展，究竟懷有怎樣復(fù)雜的情感，但也許，這就是生活的本質(zhì)。

我們不妨?xí)诚胍幌?，未?lái)的養(yǎng)豬場(chǎng)會(huì)是什么樣子，也許會(huì)有小型飛行器，載著小豬在空中飛？

參考文獻(xiàn)：

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文章由科普中國(guó)-星空計(jì)劃（創(chuàng)作培育）出品，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)源

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