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。