Modeling Lettuce Growth in Vertical Farms: Approaches and Strategies

Vertical farming is an advanced agricultural system that provides precise environmental control to promote uniform crop growth and enables planned year-round production. This study investigated lettuce growth in a fully controlled vertical farm over 31 days, measuring shoot fresh and dry weights to develop growth prediction models. Several mathematical models, in this case linear, quadratic, exponential, sigmoid, and expolinear functions, were evaluated for their suitability. Linear and quadratic models showed limited accuracy and practical limitations, while the exponential model did not account for the growth deceleration observed in lettuce, making it unsuitable. The sigmoid and expolinear models both effectively captured the biological growth pattern characterized by slow initial growth, a rapid mid-stage increase, and a late-stage plateau. Notably, the expolinear model demonstrated the highest predictive accuracy, with coefficients of determination exceeding 0.99 in the fitting data and 0.93 in validation data during the marketable growth period (up to 28 days after transplanting). Beyond this period, excessive leaf growth reduced market value, empha- sizing the need for growth modeling focused on commercial quality maintenance. These findings highlight the expolinear model as a reliable tool for predicting lettuce growth and optimizing harvest timing in vertical farms. Additional key words: expolinear function, growth modeling, lettuce, predictive modeling, vertical farming 서 언 수직농장은 정밀한 환경 제어를 통해 작물의 균일한 생장을 유도하고 , 연중 계획적인 생산이 가능한 농 업 시스템이다 (Cha et al. 2012; Sul et al. 2022; Baek et al. 2023). 특히 , 완전제어형 수직농장은 광도 , 온도 , 실내 습도 , 이산화탄소 농도 등 주요 환경 요인을 작물 재배에 적합하게 조절할 수 있어 , 자연광에 Horticultural Science and Technology 447 수직농장에서 상추 생육 모델링: 접근법과 전략 의존하는 시설원예보다 환경 변화에 따른 생육 예측이 상대적으로 용이하다 (Cha et al. 2013). 또한 , 수직농장은 계절 변화나 풍수해 등의 기후 영향에서 자유로우며 , 극지방 , 도시 , 사막과 같은 극한 환경에서도 농산물 재배가 가능하다 . 이를 통해 작물 의 품질을 안정화하고 규격화할 수 있으며 , 향후 식량 문제 해결 및 지속 가능한 농업 실현을 위한 대안으로 주목받고 있다 (Vatistas et al. 2022). 상추는 품종이 다양하고 재배가 용이하며 생육 기간이 짧아 수직농장에서 널리 활용되는 작물이다 . 온도 , 양액 , 광량 , 광주 기 , 광질 등의 생육 환경에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 (Cha et al. 2013; Woo et al. 2016; Sul et al. 2022; Baek et al. 2023