大自然的獎賞

李忠東

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

2010年冬天，一名13歲的美國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，對橡樹的樹枝、樹葉的排列方式產(chǎn)生興趣，并發(fā)現(xiàn)樹枝杈的布局也可以用“斐波那契數(shù)列”解釋，從而發(fā)明了一種樹狀太陽能電池板排布新方法，使太陽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”。

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)列指的是這樣一個數(shù)列：1、1、2、3、5、8、13、21……這個數(shù)列從第3項(xiàng)開始，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……在這個數(shù)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，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，植物和動物都和它有著驚人的聯(lián)系。在樹木、綠葉、紅花、碩果中，都能遇到“黃金比率”。

樹木也懂黃金分割

德威爾通過用自己設(shè)計的圓柱雙量角器測量，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，所得兩個角度約等于222.5°和137.5°，任意兩個相鄰的葉片、枝杈或花瓣都沿著這兩個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，繞著它螺旋形地盤旋生長，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，獲取最多的陽光，承受最多的雨水。

德威爾從中深受啟發(fā)，認(rèn)為樹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，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)的屋頂太陽能電池板陣列捕獲陽光的能力的差異，德威爾還分別給兩個裝置接上了監(jiān)視電壓的數(shù)據(jù)記錄器。結(jié)果是，太陽能電池樹更勝一籌。

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了2.5小時，產(chǎn)生的電力多了20％。特別是在12月份，太陽處在天空中的最低點(diǎn)的冬季，無論是收集太陽光的時間還是產(chǎn)生的電力，太陽能電池樹都要比太陽能光伏電池板高出50％。

德威爾解釋說，由于樹枝按“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光時，不會阻擋太陽光射到其他的分支。因?yàn)楣夥姵夭皇怯闷桨迥Ｊ脚帕校螤詈芟褚豢脴洌愿雍每础８匾氖牵@種樹形結(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光。

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

在大多數(shù)13歲的孩子把空閑時間花在玩視頻游戲或?yàn)g覽Facebook等網(wǎng)站時，德威爾卻以自己獨(dú)特的設(shè)計，贏得了2011年美國自然歷史博物館頒發(fā)的“青年自然科學(xué)家獎”。他對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)域一種罕見的發(fā)現(xiàn)，也是仿生學(xué)可以極大改善設(shè)計的精彩例子。