大自然的獎(jiǎng)賞

李忠東

在大多數(shù)13歲的孩子把空閑時(shí)間花在玩視頻游戲或?yàn)g覽Facebook等網(wǎng)站時(shí)，德威爾卻以自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，贏得了2011年美國(guó)自然歷史博物館頒發(fā)的“青年自然科學(xué)家獎(jiǎng)”。

2010年冬天，一名13歲的美國(guó)紐約州初中男孩艾登?德威爾，冒著嚴(yán)寒到卡茨基爾山徒步旅行時(shí)，對(duì)橡樹(shù)的樹(shù)枝、樹(shù)葉的排列方式產(chǎn)生興趣，并發(fā)現(xiàn)樹(shù)枝杈的布局也可以用“斐波那契數(shù)列”解釋，從而發(fā)明了一種樹(shù)狀太陽(yáng)能電池板排布新方法，使太陽(yáng)能利用效率大大提高，并因此獲得2011年度“青年自然科學(xué)家獎(jiǎng)”。

何為“斐波那契數(shù)列”

所謂“斐波那契數(shù)列”，是意大利數(shù)學(xué)家列昂納多?斐波那契發(fā)現(xiàn)的。斐波那契數(shù)列指的是這樣一個(gè)數(shù)列：1、1、2、3、5、8、13、21……這個(gè)數(shù)列從第3項(xiàng)開(kāi)始，每一項(xiàng)都等于前兩項(xiàng)之和，即1＋？＝2，2＋？＝3，3＋？＝5，5＋？＝8，8＋？＝13， 13＋？＝21，21＋？＝34……在這個(gè)數(shù)列中，任何一個(gè)數(shù)字與后一個(gè)數(shù)字的比都接近0.618，而且越往后，就越接近。這就是著名的“斐波那契數(shù)列”，而0.618這個(gè)神奇的數(shù)字，則被稱為“黃金比率”，古希臘美學(xué)家柏拉圖將其譽(yù)為“黃金分割率”。

“黃金比率”與大自然結(jié)下了不解之緣，植物和動(dòng)物都和它有著驚人的聯(lián)系。在樹(shù)木、綠葉、紅花、碩果中，都能遇到“黃金比率”。

樹(shù)木也懂黃金分割

德威爾通過(guò)用自己設(shè)計(jì)的圓柱雙量角器測(cè)量，驚訝地發(fā)現(xiàn)許多植物的葉片、枝杈或花瓣都有這樣一個(gè)有趣的現(xiàn)象：它們用黃金分割率0.618來(lái)劃分360°的圓周，所得兩個(gè)角度約等于222.5°和137.5°，任意兩個(gè)相鄰的葉片、枝杈或花瓣都沿著這兩個(gè)角的兩條邊的方向伸展，因此盡管它們不斷輪生，卻互不重疊，確保了光合作用面積最大。像車前草、薊草、一些蔬菜的葉子、玫瑰花瓣等，以莖為中心，繞著它螺旋形地盤(pán)旋生長(zhǎng)，兩葉間的弧度為137.5°。按照這種排列模式，葉子可以占有最多的空間，獲取最多的陽(yáng)光，承受最多的雨水。

德威爾從中深受啟發(fā)，認(rèn)為樹(shù)枝杈的布局一定與光合作用的效率有關(guān)。為了探求其中的原理，驗(yàn)證“斐波那契數(shù)列”是否能派上用場(chǎng)，他開(kāi)動(dòng)腦筋，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)頗有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)。

德威爾首先用自己設(shè)計(jì)的圓柱雙量角器工具，確定橡樹(shù)樹(shù)枝和樹(shù)葉構(gòu)成的螺旋軌跡與樹(shù)干之間的相對(duì)關(guān)系，在讓計(jì)算機(jī)程序復(fù)制這種模式的基礎(chǔ)上，用PVC管建造了一棵按“斐波那契數(shù)列”排列的橡樹(shù)形太陽(yáng)能電池樹(shù)；隨后建起一個(gè)常用的平板模式排列的太陽(yáng)能光伏電池板，以45°角安裝在屋頂。為了觀察和比較按橡樹(shù)分叉排列的太陽(yáng)能電池板與傳統(tǒng)的屋頂太陽(yáng)能電池板陣列捕獲陽(yáng)光的能力的差異，德威爾還分別給兩個(gè)裝置接上了監(jiān)視電壓的數(shù)據(jù)記錄器。結(jié)果是，太陽(yáng)能電池樹(shù)更勝一籌。

實(shí)驗(yàn)與研究結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的平板模式排列的太陽(yáng)能光伏電池板相比，按“斐波那契數(shù)列”排列的橡樹(shù)形太陽(yáng)能電池樹(shù)的表現(xiàn)更優(yōu)秀，不需要做任何的偏角調(diào)整，每天的有效光照時(shí)間延長(zhǎng)了2.5小時(shí)，產(chǎn)生的電力多了20％。特別是在12月份，太陽(yáng)處在天空中的最低點(diǎn)的冬季，無(wú)論是收集太陽(yáng)光的時(shí)間還是產(chǎn)生的電力，太陽(yáng)能電池樹(shù)都要比太陽(yáng)能光伏電池板高出50％。

德威爾解釋說(shuō)，由于樹(shù)枝按“斐波那契模式”分布，用“黃金分割率”調(diào)整了光伏電池特定的間隔和高度，因此使得部分分支在收集陽(yáng)光時(shí)，不會(huì)阻擋太陽(yáng)光射到其他的分支。因?yàn)楣夥姵夭皇怯闷桨迥Ｊ脚帕?，形狀很像一棵?shù)，所以更加好看。更重要的是，這種樹(shù)形結(jié)構(gòu)比平板模式更節(jié)省空間，也不必完全朝南，更適合在城市使用，因?yàn)樵趽頂D的城市中很難找到大的空間和直射的陽(yáng)光。

這項(xiàng)研究獲得了美國(guó)的臨時(shí)專利，引起極大反響。德威爾的研究結(jié)果之所以令人印象深刻，在于他模擬樹(shù)木分支，科學(xué)排列太陽(yáng)能電池，大大地提高了太陽(yáng)能的利用效率。

在大多數(shù)13歲的孩子把空閑時(shí)間花在玩視頻游戲或?yàn)g覽Facebook等網(wǎng)站時(shí)，德威爾卻以自己獨(dú)特的設(shè)計(jì)，贏得了2011年美國(guó)自然歷史博物館頒發(fā)的“青年自然科學(xué)家獎(jiǎng)”。他對(duì)大自然的欣賞和敬仰得到了大家的認(rèn)可，實(shí)屬難能可貴。這更是技術(shù)領(lǐng)域一種罕見(jiàn)的發(fā)現(xiàn)，也是仿生學(xué)可以極大改善設(shè)計(jì)的精彩例子。