04 葵花与风车

笑盈盈地,像个小太阳。

静静地笑,堪比蒙娜丽莎。

在画上是静止不动的,只是灿烂笑着的样子。

在现实世界里是要动的。不必有风,自主会运动。

向日葵,也叫太阳花,它每天要秀一场慢舞。很慢,没有耐心者无法欣赏它的全场舞姿。它的舞姿就是花盘转。

如果是毫无目的地乱转,那就没什么意思了。

向日葵的有趣就在于它的转动是有目的的——它始终朝阳。太阳早上东升,下午西坠。向日葵的花盘也跟着转动,从东到西,迎着太阳的光和热。

植物多有朝着光的方向生长的行为,但动作实在是超级慢,一天之内都不一定能够显现出来。

而向日葵的特别之处就是它的“动向”明显,虽是“慢舞”,但一天之内充分展示:白天,向日葵跟着太阳转;日落后,它的花盘又慢慢摆回原位,等待东方的太阳升起。不过,向日葵的向日特性是在发芽到花盘盛开之前的期间充分展现,花盘盛开后就固定朝东,不再随太阳转动了。[3]

无论如何,向日葵是有目的性的,它的慢舞是有明确目标的,就是要始终追随太阳的方向。那么,向日葵又是如何聪明地实现自己的目标的,它向我们隐藏的秘诀究竟是什么呢?

让我们把视线转向如同一个大型“向日葵”的人造物——风车,看能不能借此发现什么秘密。

葵花与风车都要转。一个慢,一个快;一个要向日,一个要迎风。

最早的风车,是一种垂直轴风车,叶片在水平面转动。后来的风车,虽然仍有垂直轴的,但我们常见的现代风车(如风力发电所用的风车)不少是水平轴的,叶片在垂直面上旋转。风车叶片是旋转对称设计,但不必是轴对称的。

不过,无论是在水平面还是垂直面,叶片本身的转动都不是我们的兴趣点。葵花根本就没有“叶片转动”这回事,它要做的是转动整个花盘以向日。风车也有一样的目的,不同只在于不是向日,而是迎风。

所以,这里要讨论的风车随风转不是指风车叶片的旋转,而是风车如何随着风向改变而转动,使之总是迎着风,就像向日葵转动使自己的花盘始终朝着太阳。如果是纸质或塑料风车玩具,好办,让它始终对着风就行了。但是现实中作动力和发电的风车,采用这个简单办法显然就不行了。

太阳东升西坠,在天空弧线走过,日复一日,昨天、今朝和明日,没什么明显不同,极为恒定。风却很不同,风向时时可变——风车怎么才能随时依着风向改变朝向,使得自己始终朝着风向呢?这看来比向日葵始终朝着太阳更具挑战性了。

人们找到了办法,就是给它加个大尾巴!1745年艾德蒙·李发明了风车扇尾,一种风车自动控制装置,也就是风车的迎风装置,解决了风车跟风转的问题[5],就像向日葵能够自动跟着太阳转一样。

后来,像风力发电机的迎风控制,不需要“大尾巴”了,只需要带有一个极小“尾巴”的小巧装置——风向传感器,将实时获得的风向信号传入内部的机电控制机构,即可实现精准、灵敏、平滑的转向调节。

无论是“大尾巴”还是“小尾巴”,风车有了这样的尾巴就能自动转向、时时迎风了吗?这样的解释还是显得太粗糙了。

“尾巴”首先是风向感知装置,跟风向标是一样的。风向标的基本结构就是一个带垂直尾翼的水平杆,杆的头部,即与尾翼相对的另一端,通常是可表示指向的锥形或箭头状。水平杆上靠近头部的位置通过垂直轴连接在基座上,水平杆以垂直轴为转轴可在水平面转动。这样,无论风来自哪一方,由于其垂直尾翼的作用,风向标的头都会指向风向,即风的来向。

其实感知和显示风向一点都不复杂,可用非常简单的方法做到,比如在机场等地看到的风向袋,我们自己就可以马上做一个。还有极简的办法:旗帜就可测定风向。所以什么都别做了,撕一块布就解决了——实际上,风向标的英文“wind vane”,其中的“标”(vane)源于古英语“fana”,意思就是“flag”(旗帜)。

别看风向袋和旗帜那么简单,其实它们比单纯的风向标还多一个功能:它们还可以同时显示风速。以风向袋为例,它与垂直线的夹角从0~90度,显示风速从0到最大。有更精密的专门的风速计,常见的有4个或者3个勺子一样的东西——叫作风杯型风速计,随风在水平面转,由转速直接确定风速。

当然,可以把风向标和风速计结合,就可同时测得风向和风速。方法也很简单,例如在风向标的垂直转轴上方安装一组风杯即可,或者在水平杆的头部加上可在垂直面转动的一组微型叶片也行,这就可同时测风速了。

实时测定风向的问题解决了。风车自身的状态、朝向,它自己是知道的。风车朝向与风向不一致的程度,显然直接由两者的差值决定:从0~180度,表示从没有差别到最大差别。

风车的转向机构,就受风车朝向和风向两者的差值这个信号驱动:差值越大,驱动力越大;只有当差值为0,即风车朝向与风向一致时,转向驱动力为0,风车才无需转向。当然,实际控制设计会比这个描述精细很多。刚才描述的只能算最简单的所谓“比例控制”,即控制与误差成正比,这是最好理解的。实际中多会加上积分和微分控制,形成比例-积分-微分控制器,甚至考虑最优控制,实现精准、快速、稳定的控制,达到极佳性能。

不过这些在古老的风车年代并没有,都是以后的事情了。事实上,古老风车的“尾巴”是风向传感器和转向机构的简单一体化。

现在我们要聚焦的,是对控制机制本质的理解。

可以这样想象:拿一个老时钟来,让时针代表风向,分针代表风车朝向,用蛮力让时针和分针重合,并在针头端用橡皮筋捆住。假如风向变了,分针偏离了时针,形成一个夹角,那么由于橡皮筋的弹性,就会把分针和时针往回拉在一起,而且显然夹角越大,拉回来的力量也越大。要点是:让时针分针重合,相当于为风车设定了目的或控制目标,即风车朝向要跟风向一致;风车通过感知当前目标实施的偏差,来调整自己的状态,最终达成目标,即自己的朝向与风向一致,这是一种负反馈机制。

风车自动迎风的奥秘不过如此。

揭示了人造“大葵花”——风车的这种智能行为,发现向日葵随日而转的秘诀就不难了。

这里我们不去考究植物生长激素或植物纤维收缩的层面,更不去分析植物细胞的特性,甚至分子的生化作用——此处难以也不必穷竭到这样的层面。这里更有意义的做法,仍是聚焦葵花转向行为的调节、控制机制:向日葵能感知太阳光热的方向,就像风车感知风向;它也像风车一样知道自己的朝向,从而也就知道自己的朝向与太阳方向的偏差;它根据这种偏差来调节,使得它的花盘转向太阳的方向。

概括起来就是,葵花与风车一样,其显示出来的具有目的性的智能行为都是一种反馈控制。在这个根本的机制上,二者本质相同。

有生命的葵花,无生命的风车,二者本质相同——在表现出有目的控制行为方面。

这可以推广到更多的生命和人工系统吗?

这很可能具有相当的普适性——说不定是我们重大的发现!我们的热血有点沸腾了。

向日葵在那儿微笑着,神秘地,堪比蒙娜丽莎——重大发现?那是超过半世纪以前的事了。