13歲的“博物學家”

李忠東

時至今日，越來越多的現代人渴求賞心悅目的休閑生活，于是對森林情有獨鐘，喜歡到這種樸素無華的“綠色”環境里得到充分的休息和美的享受。然而，13歲的美國男孩艾登·德威爾冒著嚴寒到卡茨基爾山徒步旅行時，在森林中注意到樹枝丫杈的布局。他靈光一現，確信這種布局可以用“斐波那契數列”解釋，有可能揭開一個科學之謎，從而獲得太陽能電池板設計的重大突破。

早在13世紀，意大利數學家斐波那契就發現，有這樣一組數：1，1，2，3，5，8，13……其中從第三個數起，每一個數都等于它前面兩個數的和。如1+1=2，則2+1=3，則3+2=5，則5+3=8……這一數字系列中，任何一個數字與后一個數字的比都接近0.618，而且越往后的數字就越接近。這就是著名的“斐波那契數列”，而0.618這個神奇的數字則被稱為“黃金比例”。古希臘美學家柏拉圖將其譽為“黃金分割率”。有趣的是，人們用它可以解釋許多現象，諸如黃金分割、兔子繁殖。它還可以在植物葉、枝、莖的排列中得到體現。

“黃金比例”與大自然結下了不解之緣，植物和動物都和它有著驚人的聯系。的確，在樹木、綠葉、紅花、碩果中，都能遇上“黃金比例”。

德威爾通過測量驚訝地發現，許多植物萌生的葉片、枝杈或花瓣都有這樣一個有趣的現象：它們用黃金分割率0.618來劃分360°的圓周，所得角度約等于222.5°。而在整個圓周內，與222.5°角相對應的外角就是137.5°，所以137.5°角是圓的黃金分割角，也叫黃金角。由于任意兩相鄰的葉片、枝杈或花瓣都沿著這兩個角度伸展，因此盡管它們不斷輪生，卻互不重疊，確保了光合作用。像車前草、薊草、一些蔬菜的葉子、玫瑰花瓣等，以莖為中心，繞著它螺旋形地盤旋生長，兩葉問的弧度為137.5°。按照這種排列模式，葉子可以占有最多的空間，獲取最多的陽光，承受最多的雨水。

德威爾從中深受啟發，認為樹枝丫權的布局一定與光合作用的效率有關。為了探求其中的道理，驗證“斐波那契數列”是否能派上用場，他開動腦筋，設計了一項頗有創意的實驗。

德威爾首先用自己設計的圓柱雙量角器工具，確定橡樹樹枝和樹葉構成的螺旋軌跡與樹干之間的相對關系，在讓計算機程序復制這種模式的基礎上，用PVC管建造了一棵按“斐波那契數列”排列的橡樹形太陽能電池樹；隨后建起一個常用的平板模式排列的太陽能光伏電池板，以45°角安裝在屋頂。為了觀察和比較按橡樹分叉排列的太陽能電池板與傳統的屋頂電池板陣列捕獲陽光能力的差異，他分別在兩個裝置上接了監視電壓的數據記錄儀。

德威爾發現，與傳統的平板模式排列的太陽能光伏電池板相比，按“斐波那契數列”排列的橡樹形太陽能電池樹的表現更優秀，不需要做任何的偏角調整，每天的有效光照時間延長2.5小時，產生的電力多20%以上。

德威爾解釋說，由于樹枝按“斐波那契數列”分布，用“黃金分割率”調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光時不會阻擋太陽光射到其他的分支。而且它不是用平板模式排列，形狀很像一棵樹，所以更加美觀。更重要的是，這種樹形結構比平板模式更節省空間，更適合在城市使用，因為在擁擠的城市中更難找到空間和直射的陽光。

這項研究引起了極大反響。專家認為，在大多數同齡孩子把空閑時間花在玩視頻游戲或瀏覽交友網站時，德威爾卻以自己的設計贏得了美國自然歷史博物館的年輕博物學家獎，他對大自然的欣賞和敬仰值得大家學習。這是技術領域一種罕見的發現，也是利用仿生學改善設計的精彩例子。