食品工业的传统做法正在经历一个根本性的转变。第一次农业技术革命取得了令人印象深刻的 进步：在1961年到2004年之间，东亚谷物产量每 年增长2.8%，或超过300%，由现代农业实践，包 括灌溉、使用化肥和杀虫剂，和新的和更生产的作物品种的发展(世界银行2008年5)。
但效率的提高正在下降：收益率的增长率已经放缓。还有更大的挑战：到2050年，世界必须多生产70%的食品，使用更少的能源、化肥和杀虫剂，同时降低温室气体水平和应对气候变化。旧技术必须得到最大化，并产生新技术。
农业4.0，即将到来的农业革命，必须是一个绿色 的革命，以科学和技术为核心6。农业4.0将需要着 眼于食品短缺方程的需求侧和价值链/供应链侧， 使用技术不仅是为了创新，而且是为了改善和满足 消费者的实际需求，并重新设计价值链。
现代农场和农业运营将有不同的工作方式，主要是 因为技术的进步，包括传感器、设备、机器和信息技术。未来的农业将使用机器人、温度和湿度传感器、航空图像和GPS技术等复杂技术来列出一些。 这些进步将使企业更盈利、更高效、更安全和更环保。
农业4.0将不再需要依赖于在整个领域施用水、 化肥和杀虫剂。相反，农民将使用最低限度的数量，甚至将它们从供应链中完全移除。他们将能 够在干旱地区种植作物，并利用阳光和海水等丰 富和清洁的资源来种植食物。
好消息是，这些数字技术的进步正在接管这个行业，加强了整个食品价值链。据Agfunder称， 自2012年以来，农业技术初创公司每年增长了 80%以上。农业科技初创公司正在蓬勃发展，企业家和投资者对该行业的贪婪的欲望：商业领袖比尔·盖茨，理查德·布兰森，杰克和苏西·韦尔奇，以及风投基金DFJ（以投资特斯拉和推特）和食品集团嘉吉，投资孟菲斯肉类，一个开创性的清洁肉类公司。在日本亿万富翁孙正义的指导下，软银愿景基金正在向垂直室内农业初创 公司Plenty投入2亿美元；本轮融资的其他参与者包括亚马逊的杰夫·贝佐斯和科技亿万富翁埃 里克·施密特。 那么，农业4.0中的哪些新技术和解决方案可以给粮食短缺问题带来希望呢？我们看到了技术正 在颠覆我们将解决的行业的三个总体趋势，显示 了具有高度破坏系统潜力的解决方案的具体例 子：
- 使用新技术产生不同的产品
- 利用新技术为消费者带来食品生产，提高食 品链的效率
- 整合跨行业的技术和应用程序
1、使用新技术进行不同的生产
水培：水培法是水培养的一个子集，是一种在没有土壤的情况下生长植物的方法，在水溶剂中使用矿质营养溶液。
例如，总部位于澳大利亚的公司开发了一种结合太阳能海水淡化、海水淡化和农业的水培海水技术，在任何地区种植蔬菜。这个系统是可持续发 展的，不依赖化石燃料（而是从太阳中获取能 量），也不需要土地。相反，它的技术整合了太 阳能、发电、淡水生产和水培发电。结果是：相当数量的食物使用传统方法生长。通过使用水培法，太阳滴可 以将海水温室——太阳能、海水淡化和农业相结 合——放在世界任何地方种植蔬菜。
藻类饲料：在水产养殖地点养殖的藻类可以代替饲料和鱼餐。在大多数地方，养殖藻类的成本在每吨 400美元到600美元之间，比鱼粉的成本节省了 60%到70% 每吨1700美元。此外，藻类是一种更可靠的饲料 来源，因为它的可用性并不依赖于捕鱼。由于降 低了水产养殖业务的风险，这为生产者对成本有 了更大的控制，并有能力预测未来的投资或财务 结果。
渔业是最重要的饲料来源。然而，全球鱼类生产中只有一小部分实际上用于人类消费，其余的用于鱼类饲料和动物饲料。由于中国等新兴经济体对鱼产品的需求不断增加，加工成鱼粉的鱼的比例不太可能增长。人们对世界上的捕捞量能否以可持续的方式增加表示怀疑。 这也适用于动物饲料，尤其是牛，它们是食品生产中效率最低的环节。转化率是15%或更低，这意味着你需要喂牛1公斤的饲料才能得到150克的肉。藻类原料是一种有效且廉价的替代品。
沙漠农业和海水养殖：世界上大部分表面都以海洋的形式覆盖。 剩下的地球的陆地质量约占地球表面的29%。在剩下的29%中，三分之一是各种类型的沙漠。为了应对粮食危机， 世界必须将世界上的沙漠和海洋变成食品生产设施，这一努力将需要最聪明的大脑、大学和研究机 构的共同力量。 沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)处 于沙漠农业研究的前沿：KAUST的沙漠农业倡议 旨在解决沙漠环境中农业带来的更广泛的困难挑 战。KAUST正在研究生物和非生物因素。生物研 究的关键领域包括：操纵生物系统和植物的生长 发育；改善植物或应对不利条件的生长调节剂； 以及根据营养可利用性塑造茎和根结构的植物激素。
鉴于干旱、盐和热造成的收获损失约占总生产力的60%，提高非生物胁迫耐受性是作物改良的关键。 植物适应极端胁迫条件的能力取决于其与特定微生物的关联。KAUST正在寻求：识别与植物在极端高温、干旱和盐条件下生长的植物相关的微生物；确 定使植物能够适应微生物关联诱导的极端环境条件 的分子机制；利用适当的根际伙伴提高植物胁迫耐 受性，并以可持续的方式帮助提高作物粮食产量。 最后，KAUST还通过学习提高病原体抗性、适应性和产量是否依赖于体细胞记忆，以及染色质因 子的修饰是否有助于未来的耐受性，来培育增强 耐受性的作物。
可持续包装：生物塑料 新技术和解决方案不仅扰乱了生产方面，在价值链上，还有食品包装。早该来了，1亿吨碎片在海洋中漂流，其中大部分是一次性塑料食品包装容器和袋子。越来越多的消费者敦促公司开发可回收、可降解或可降解的食品容器。
生物塑料已经存在了20多年了。然而，他们并没有被广泛使用，实现与塑料一样的包装用途，并100%回归自然，而不会产生有害影响。然而，初创公司TIPA却想要改变这一切。
TIPA的成立是为了创造可行的塑料包装解决方案。它的愿景是创造一个可当以用作堆肥、可回收的包装， 相当于水果或蔬菜。当被丢弃后，会分解，不会留下有毒残留物。
TIPA正在开发一种先进的柔性塑料适用目前的食品生产过程，为消费者提供先进的柔性塑料包装。但在使用后可以回归自然，就像橘子皮一样成为食品废物的一部分。
2、利用新技术生产食品，为消费者提高了食物链的效率
垂直和城市农业：2016年，阿联酋进口的水果和蔬菜超过400万吨。促进了一种具有成本效益的增长，为当地人口提供新鲜农产品的商业规模的农业综合企业将为阿联酋政府及其公民带来好处。
垂直农业是可持续提供高质量产品的一个办法。 垂直农业是在垂直堆叠层中种植食物的过程，在没有合适土地的具有挑战性的环境中生产食物的过程。与城市农业有关，它使用土壤、水培或气培生长方法。这个过程减少了95%的水，减少了肥料和营养补充剂，也不使用杀虫剂，同时提高了生产力。
自2004年以来，总部位于美国的航空农场一直在建设、拥有和经营种植安全和营养食品的室内垂 直农场。它在高科技、数据驱动、商业规模的垂 直农业方面领先于世界。它的农场可以全年生产 农产品，使其达到的潜在产量是相同面积的传统 农场的390倍。生产与极端天气事件或季节变化无关。
因为产品是在当地种植而不是进口的，水果和蔬菜保持的时间更新鲜。 类似地，总部位于旧金山的Plenty的现场规模的 室内农场将农业和作物科学与机器学习、物联网、大数据和气候控制技术相结合，使其能够种植健康食品，同时最大限度地减少水和能源的使 用。
最近，软银愿景基金和亚马逊首席执行官杰 夫·贝佐斯进行了大量投资，这将帮助该公司推 进其农场的发展。 各国政府也围绕这项技术发起了倡议。这些种植 技术在荷兰促进了室内种植的繁荣：温室现在生产荷兰35%的蔬菜，尽管它占据了不到1%的农田。
荷兰的瓦赫宁根大学领导了很多关于如何在室内最好地种植作物的研究。但荷兰大学的教授利 奥·马塞利斯说，荷兰的农业革命需要超越温室，而温室仍然依赖于一些外部力量，比如阳光。然而，为了实现成本效益，垂直农业依赖于可负担得起的电力。政府可以通过提供电力补贴或其 他税收优惠来支持这些农场的发展。人口受过高等教育、能源成本低、政府愿意参与公私伙伴关系的国家最终将成为这一领域的领导者。
转基因和培养的肉类：通过传统的农作物改良，在开发抗旱小麦时，采用了常规育种技术。抗旱小麦的开发，引领了发展中国家第一波产量提高的浪潮。它引领了发展中世界提高产量的第一波浪潮。但是，为了解决未来的粮食需求。
基因工程是必要的。
集群、规则间隔、短回文重复（CRISPR）技术是一种重要的新技术。重复（CRISPR）技术是一种重要的基因组编辑新方法。它允许更大的选择性，并减少偶然因素。该技术不仅可以创造出具有改进的产量和抗逆性的品种，而且还可以用来繁殖含有基本维生素、营养素和矿物质的作物。CRISPR正在促进工程化动物食品的产生。
肉类养殖是一项前沿技术，潜力巨大，但仍处于初期的发展状态。这项技术对粮食安全、环境、 动物传播的粮食相关疾病和动物福利问题等领域产生巨大的影响潜力。总部位于荷兰的MosaMeat 公司是少数几家使用这项技术的初创公司之一。 MosaMeat目前工作开发培养碎肉（汉堡）产品，计划在未来几年投 放市场。该公司认为，实验室制造的肉类—— 可以提供世界上人口不断 增长的高质量的蛋白质，同时避免传统肉类生产中的许多环境和动物权利问题。
将3D打印技术应用于食品中：3D打印在制造业中越来越重要，现在被应用于食品生产。3D打印(也被称为增材制造)是一种通过形成材料层来创造物体的过程——在此种情况下,做出您熟悉的菜肴。
专家认为，使用水胶体(与水形成凝胶的物质)的打印机可以用藻类、浮萍和草等可再生能源代替食物的基本成分。荷兰应用科学研究组织(Netherlands Organization for Applied Scientific Research)已经开发出一种打印微藻的方法，并正在改变这些方法。微藻是蛋白质、碳水化合物、色素和抗氧化剂的天然来源胡萝卜等可食用食物的原料。
这项技术本质上是将糊状物“变成一顿饭”。在一项研究中，研究人员将碾碎的粉虫添加到酥饼曲奇食谱中。未来的杂货店可能会储存能够持续使用数年的“食品盒”，而不是易腐烂的整个原料，从而腾出货架空间，减少运输和储存的要求。3D食品打印机最令人兴奋的——也是技术要求最高的——应用可能是肉类替代品。一些研究人员已经开始用藻类作为动物蛋白的替代品进行实验，而另一些人则试图用实验室里生长的牛细胞来制造肉。
