大自然的奖赏

李忠东

在大多数13岁的孩子把空闲时间花在玩视频游戏或浏览Facebook等网站时，德威尔却以自己独特的设计，赢得了2011年美国自然历史博物馆颁发的“青年自然科學家奖”。

2010年冬天，一名13岁的美国纽约州初中男孩艾登?德威尔，冒着严寒到卡茨基尔山徒步旅行时，对橡树的树枝、树叶的排列方式产生兴趣，并发现树枝杈的布局也可以用“斐波那契数列”解释，从而发明了一种树状太阳能电池板排布新方法，使太阳能利用效率大大提高，并因此获得2011年度“青年自然科学家奖”。

何为“斐波那契数列”

所谓“斐波那契数列”，是意大利数学家列昂纳多?斐波那契发现的。斐波那契数列指的是这样一个数列：1、1、2、3、5、8、13、21……这个数列从第3项开始，每一项都等于前两项之和，即1＋？＝2，2＋？＝3，3＋？＝5，5＋？＝8，8＋？＝13， 13＋？＝21，21＋？＝34……在这个数列中，任何一个数字与后一个数字的比都接近0.618，而且越往后，就越接近。这就是著名的“斐波那契数列”，而0.618这个神奇的数字，则被称为“黄金比率”，古希腊美学家柏拉图将其誉为“黄金分割率”。

“黄金比率”与大自然结下了不解之缘，植物和动物都和它有着惊人的联系。在树木、绿叶、红花、硕果中，都能遇到“黄金比率”。

树木也懂黄金分割

德威尔通过用自己设计的圆柱双量角器测量，惊讶地发现许多植物的叶片、枝杈或花瓣都有这样一个有趣的现象：它们用黄金分割率0.618来划分360°的圆周，所得两个角度约等于222.5°和137.5°，任意两个相邻的叶片、枝杈或花瓣都沿着这两个角的两条边的方向伸展，因此尽管它们不断轮生，却互不重叠，确保了光合作用面积最大。像车前草、蓟草、一些蔬菜的叶子、玫瑰花瓣等，以茎为中心，绕着它螺旋形地盘旋生长，两叶间的弧度为137.5°。按照这种排列模式，叶子可以占有最多的空间，获取最多的阳光，承受最多的雨水。

德威尔从中深受启发，认为树枝杈的布局一定与光合作用的效率有关。为了探求其中的原理，验证“斐波那契数列”是否能派上用场，他开动脑筋，设计了一项颇有创意的实验。

德威尔首先用自己设计的圆柱双量角器工具，确定橡树树枝和树叶构成的螺旋轨迹与树干之间的相对关系，在让计算机程序复制这种模式的基础上，用PVC管建造了一棵按“斐波那契数列”排列的橡树形太阳能电池树；随后建起一个常用的平板模式排列的太阳能光伏电池板，以45°角安装在屋顶。为了观察和比较按橡树分叉排列的太阳能电池板与传统的屋顶太阳能电池板阵列捕获阳光的能力的差异，德威尔还分别给两个装置接上了监视电压的数据记录器。结果是，太阳能电池树更胜一筹。

实验与研究结果显示，与传统的平板模式排列的太阳能光伏电池板相比，按“斐波那契数列”排列的橡树形太阳能电池树的表现更优秀，不需要做任何的偏角调整，每天的有效光照时间延长了2.5小时，产生的电力多了20％。特别是在12月份，太阳处在天空中的最低点的冬季，无论是收集太阳光的时间还是产生的电力，太阳能电池树都要比太阳能光伏电池板高出50％。

德威尔解释说，由于树枝按“斐波那契模式”分布，用“黄金分割率”调整了光伏电池特定的间隔和高度，因此使得部分分支在收集阳光时，不会阻挡太阳光射到其他的分支。因为光伏电池不是用平板模式排列，形状很像一棵树，所以更加好看。更重要的是，这种树形结构比平板模式更节省空间，也不必完全朝南，更适合在城市使用，因为在拥挤的城市中很难找到大的空间和直射的阳光。

这项研究获得了美国的临时专利，引起极大反响。德威尔的研究结果之所以令人印象深刻，在于他模拟树木分支，科学排列太阳能电池，大大地提高了太阳能的利用效率。

在大多数13岁的孩子把空闲时间花在玩视频游戏或浏览Facebook等网站时，德威尔却以自己独特的设计，赢得了2011年美国自然历史博物馆颁发的“青年自然科学家奖”。他对大自然的欣赏和敬仰得到了大家的认可，实属难能可贵。这更是技术领域一种罕见的发现，也是仿生学可以极大改善设计的精彩例子。