13岁的“博物学家”

李忠东

时至今日，越来越多的现代人渴求赏心悦目的休闲生活，于是对森林情有独钟，喜欢到这种朴素无华的“绿色”环境里得到充分的休息和美的享受。然而，13岁的美国男孩艾登·德威尔冒着严寒到卡茨基尔山徒步旅行时，在森林中注意到树枝丫杈的布局。他灵光一现，确信这种布局可以用“斐波那契数列”解释，有可能揭开一个科学之谜，从而获得太阳能电池板设计的重大突破。

早在13世纪，意大利数学家斐波那契就发现，有这样一组数：1，1，2，3，5，8，13……其中从第三个数起，每一个数都等于它前面两个数的和。如1+1=2，则2+1=3，则3+2=5，则5+3=8……这一数字系列中，任何一个数字与后一个数字的比都接近0.618，而且越往后的数字就越接近。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“黄金比例”。古希腊美学家柏拉图将其誉为“黄金分割率”。有趣的是，人们用它可以解释许多现象，诸如黄金分割、兔子繁殖。它还可以在植物叶、枝、茎的排列中得到体现。

“黄金比例”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。的确，在树木、绿叶、红花、硕果中，都能遇上“黄金比例”。

德威尔通过测量惊讶地发现，许多植物萌生的叶片、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，所得角度约等于222.5°。而在整个圆周内，与222.5°角相对应的外角就是137.5°，所以137.5°角是圆的黄金分割角，也叫黄金角。由于任意两相邻的叶片、枝杈或花瓣都沿着这两个角度伸展，因此尽管它们不断轮生，却互不重叠，确保了光合作用。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，两叶问的弧度为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，认为树枝丫权的布局一定与光合作用的效率有关。为了探求其中的道理，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电池板阵列捕获阳光能力的差异，他分别在两个装置上接了监视电压的数据记录仪。

德威尔发现，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2.5小时，产生的电力多20%以上。

德威尔解释说，由于树枝按“斐波那契数列”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。而且它不是用平板模式排列，形状很像一棵树，所以更加美观。更重要的是，这种树形结构比平板模式更节省空间，更适合在城市使用，因为在拥挤的城市中更难找到空间和直射的阳光。

这项研究引起了极大反响。专家认为，在大多数同龄孩子把空闲时间花在玩视频游戏或浏览交友网站时，德威尔却以自己的设计赢得了美国自然历史博物馆的年轻博物学家奖，他对大自然的欣赏和敬仰值得大家学习。这是技术领域一种罕见的发现，也是利用仿生学改善设计的精彩例子。