李忠東

時至今日，越來越多的現(xiàn)代人渴求賞心悅目的休閑生活，于是對森林情有獨(dú)鐘，喜歡到這種樸素?zé)o華的“綠色”環(huán)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(yán)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(xiàn)，確信這種布局可以用“斐波那契數(shù)列”解釋，有可能揭開一個科學(xué)之謎，從而獲得太陽能電池板設(shè)計的重大突破。

早在13世紀(jì)，意大利數(shù)學(xué)家斐波那契就發(fā)現(xiàn)，有這樣一組數(shù)：1，1，2，3，5，8，13……其中從第三個數(shù)起，每一個數(shù)都等于它前面兩個數(shù)的和。如1+1=2，則2+1=3，則3+2=5，則5+3=8……這一數(shù)字系列中，任何一個數(shù)字與后一個數(shù)字的比都接近0.618，而且越往后的數(shù)字就越接近。這就是著名的“斐波那契數(shù)列”，而0.618這個神奇的數(shù)字則被稱為“黃金比例”。古希臘美學(xué)家柏拉圖將其譽(yù)為“黃金分割率”。有趣的是，人們用它可以解釋許多現(xiàn)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(xiàn)。

“黃金比例”與大自然結(jié)下了不解之緣，植物和動物都和它有著驚人的聯(lián)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(fā)現(xiàn)，許多植物萌生的葉片、枝杈或花瓣都有這樣一個有趣的現(xiàn)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(nèi)，與222.5°角相對應(yīng)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(fā)，認(rèn)為樹枝丫權(quán)的布局一定與光合作用的效率有關(guān)。為了探求其中的道理，驗(yàn)證“斐波那契數(shù)列”是否能派上用場，他開動腦筋，設(shè)計了一項(xiàng)頗有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)。

德威爾首先用自己設(shè)計的圓柱雙量角器工具，確定橡樹樹枝和樹葉構(gòu)成的螺旋軌跡與樹干之間的相對關(guān)系，在讓計算機(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(tǒng)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(jiān)視電壓的數(shù)據(jù)記錄儀。

德威爾發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的平板模式排列的太陽能光伏電池板相比，按“斐波那契數(shù)列”排列的橡樹形太陽能電池樹的表現(xiàn)更優(yōu)秀，不需要做任何的偏角調(diào)整，每天的有效光照時間延長2.5小時，產(chǎn)生的電力多20%以上。

德威爾解釋說，由于樹枝按“斐波那契數(shù)列”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(jié)構(gòu)比平板模式更節(jié)省空間，更適合在城市使用，因?yàn)樵趽頂D的城市中更難找到空間和直射的陽光。

這項(xiàng)研究引起了極大反響。專家認(rèn)為，在大多數(shù)同齡孩子把空閑時間花在玩視頻游戲或?yàn)g覽交友網(wǎng)站時，德威爾卻以自己的設(shè)計贏得了美國自然歷史博物館的年輕博物學(xué)家獎，他對大自然的欣賞和敬仰值得大家學(xué)習(xí)。這是技術(shù)領(lǐng)域一種罕見的發(fā)現(xiàn)，也是利用仿生學(xué)改善設(shè)計的精彩例子。