第2章

顺其自然——未来物品的形状

人类文明伊始，在穴居于岩洞之中的人类看来，世间万物都非常神秘。一切事物皆处于杂乱无章、前后不一、随心所欲的状态。整个地球不存在任何一条直线，更不用说车轮、扣带、栅栏和工具了，有的只是成片的荒郊野岭，以及蜿蜒其中的条条野溪。人类还没有像我们现在这样高居食物链的顶端，也不具备任何操纵周围环境的能力，更无法体会现代人所拥有的几乎无所不能的感觉，以及对生命的强大控制力。在当时的人类看来，生与死是完全无法理解、高深莫测的神秘事——现在本质上而言依然如此。但是，在杂乱无序、环境恶劣的荒野之中，有一个不断重复出现的形状，美丽得让人痴迷、能激发各种想象。它无处不在，在猎食者卷曲的号角中，在挂着葡萄和浆果的卷须的藤枝上，在贝壳上、鹰爪上、变色龙的尾巴上，在花瓣上、种子里以及蕨类植物内，在章鱼的触须上、涡流和尘暴里，还出现在蛇的身上。这些螺旋形虽然出现在不同的地方，但彼此极其相似，与周围杂乱无章的秩序格格不入。当时的人类是如何思考这些现象，又如何解释这种相似性问题的呢？

我们都知道，早期人类将这些图形画在洞穴的岩壁上。最早发现的萨满教绘画内容是手持棍棒的人和一些动物。在那之后，出现了螺旋形的绘画。根据这些演变过程，可以推断当早期人类意识到自我时首先绘出了“自己”的形象，然后当他们意识到杂乱世界的内在秩序时又绘出了螺旋形。地球上所有的人类和文化（甚至居住在不同大陆的群体，他们不可能彼此交流）在发展过程中都出现了欣赏和尊敬这种形状的现象，这实在不可思议。世界上早期最具权威的宗教领袖或偶像人物的确都握有蛇形的螺旋状手杖——尽管世界上有些地方根本没有存在过蛇。

随着时代变迁，螺旋形的重要性也与日俱增，从距今约7 000年前的巨石时代（新石器时代早期）开始，这种形状就被镌刻在石庙里和寝陵中。到了公元前5000年，中国和欧洲出现了螺旋形状的花纹，这些花纹或被当地居民喷涂在黏土器皿上，或被编织到草篮上，还会被绣在衣物上。人们还发现了大自然螺旋形状下隐藏的数学规律，并将其引入建筑学当中。包括克里特、巴比伦、希腊、波斯、罗马和中国在内的古老文明都大量吸收了自然螺旋形状的特点，并将其广泛应用于美学领域。此外，螺旋形状还出现在各个宗教流派之中，代表着神灵、上帝或者生命的力量，成为人们的精神寄托。蛇、龙、阴阳符号以及远古炼金术士使用的商神权杖等单螺旋或双螺旋形状也随之得到广泛应用。

螺旋几何的例子（从左到右）：

漩涡的侧视图、漩涡的俯视图、商神权杖、

阴阳符号、贝壳俯视图、半个鹦鹉螺贝壳

人类很早以前就观察到了涡流或龙卷风的几何构造，并发现贝壳与其形状相似，因此通过俯视和侧视研究观测贝壳，思考涡流或龙卷风的构成原理。

1638年，被称为科学之父的法国哲学家和数学家笛卡儿发现，从螺旋中心画出的直线与每条旋臂相交时所形成的角度都相同，因此他将这种蜗牛贝壳螺旋命名为“等角螺旋”。如果测量一下与螺旋相交的每条直线的长度就会发现，每一段相对于下一段的比例都相同，等角螺旋中的增长系数1∶1.618就是众所周知的黄金比例，也有人称为神圣比例螺旋。这个比例在人体中也普遍存在，从我们的手指关节段到我们头发和眼睫毛的曲线都如此。

等角螺旋

黄金比例

手指关节的黄金比例

等角螺旋是唯一能够在一侧大小发生变化时保持整体形状不变的三维数学曲线，这种现象尤其适用于自身不断成长的有机体。蜗牛无法突破自己坚固的外壳，只能朝着开口的方向生长。蜗牛壳的形状不会随着蜗牛的生长而变化，但是会与栖身于其中的动物轮廓相匹配，如果把一个小蜗牛的螺旋外壳放大，你会发现它与大蜗牛的外壳一模一样，这个特性被称为自相似性。这种特性就像我们在分形几何学中看到的那样，存在于各种各样的大小形状上。分形是一种重要的数学工具，这个术语由本华·曼德博于1975年创造，主要是为了描述一种人为、具有自相似、通常呈现螺旋形的多边几何体，其中每一小块都与整体形状一样。

电脑模拟的分形艺术，运用数学算法，

形状与罗马花椰菜和其他天然的形状非常类似

我们在自然界中看到过很多类似的形状。软体动物在生长过程中以及进出壳体的过程中都在寻找一条阻力最小的路径。软体动物离开壳体之后，寄生蟹会爬进去生活，寄生蟹为了方便进出也会按照同样的形状来生长，直到不再需要藏在里面、不再需要为了保护自己而背着壳到处跑为止。而椰子蟹是一种体型巨大的蟹类，能爬上椰子树寄生，它用它的大钳子夹开椰子，不再需要寻找二手的重壳来寄居。不论哪种节肢动物，只要力量大到能把椰子弄成碎片，都不会再用一个笨重的安全帽来保护自己，但它的身体还是会长成三维的螺旋状，只是不使用外壳而已。

海龟也是一种很神奇的动物，它全身都是对螺旋几何的应用。外壳和脑袋都受益于相同的强度–重量比，这跟鸟蛋类似。海龟在陆地上的速度很慢，但你看它们在海洋里的速度——表现惊人。龟壳具有超级流线型，海龟在水中畅游时，自身的形状能提供超强浮力。它的喙就是螺旋几何状，不仅巨大且非常有力，它四肢的外形像鳍一样，也是如此。海龟的前肢其实并不拍水，仅仅是像螺旋桨一样旋转——就像单人双桨艇，它的动作就像鸟类挥动翅膀，把自身很小的能量卷起来形成一个螺旋状的旋涡，再借助这个旋涡增加向前的推力。现在，随着计算机工具和高速摄影技术的快速发展，流体力学也能借鉴并运用这些非凡的高效策略设计汽车、轮船和飞机。

螺旋状在生活中随处可见。磁场按照螺旋状排列，菌菇孢也以螺旋状繁殖。不论我们属于哪个种族、信仰哪种宗教，哪种身材和长相，也都源于同样无处不在的螺旋几何学，我们心脏肌肉的形状和皮肤上的螺旋状毛孔都将这一点表露无遗。

螺旋形心肌

人类皮肤毛孔

所有具备听力的动物都有类似于贝壳螺旋状的耳蜗，而我们外耳的形状则与人类或动物胚胎蜷缩起来时的形状相似。这种特性被针灸师加以利用，他们根据耳部穴位对应身体的部位，在患者耳部扎针，用以治疗全身各部位的疾病。

桶贝

人类耳蜗

文艺复兴时期的艺术家对于肖像画的创作精益求精，如今的整形外科医生如果也能如此，在面部器官再造过程中，将同样的比例精益求精地用于再造器官的大小和相互之间的距离，一定能够得到最好的面部损伤修复效果。我们牙齿的大小，以及每颗牙齿之间的排列方式也都遵循同样的比率，这对牙医来说很有帮助，通过这种比率能够制造出看起来很自然的牙套。

在我们染色体的内部结构上，DNA（脱氧核糖核酸）被描绘为双螺旋形状，其形状就是两条平行的曲线相互交错在一起，像一架旋梯。怎样才能让两条曲线交织成旋梯状？旋梯的两侧必须拥有相互对应的突起和凹陷，并能像齿轮一样严丝合缝地咬合在一起。而在旋梯闭合体的另一端，爱因斯坦的空间曲线理论也无法解释平行曲线形成的原因。因为如果空间是曲折的，那所有的运动要么必须汇聚为一点，要么发散向四方。已故美国著名建筑师巴克敏斯特·富勒把DNA的形状描述为一个具有非相似边的双重螺旋，没有任何闭合角度。科幻画家肯尼思·爱德华最近描绘出了DNA分子的原本形状，根据他的描绘，DNA分子与贝壳在几何形状上颇为相似。

艺术家对DNA的描绘

海贝壳

只要拉近距离，仔细观察自然界无处不在的等角螺旋，我们就会对世间万物普遍展现出的精简之美感到敬畏。从科学中最小的微粒到宇宙中最大的结构，从以1/3光速穿梭着的太阳火焰到电视新闻上锋面和岛屿后面形成的云层，再到所有生命体的生长方式，数不胜数，几乎可以说是无穷无尽。

大自然的螺旋比例和数学方法在20世纪之前的建筑学中得到了广泛的应用，包括金字塔、帕特农神庙、泰姬陵、吴哥窟、沙特尔大教堂、白宫，以及很多有史以来最为伟大而珍贵、灿烂而美丽的标志性建筑。当我们置身其中或者看到这些雄伟的建筑时，谁的内心不会有所触动或萌生敬畏感呢？中世纪教堂的内部尤其能唤起强大的宁静感、尊敬感和从容感。

科学研究中最难以突破的非流体力学莫属——这是研究气体和液体流动的科学。无论是火焰冒出的螺旋状的浓烟，还是翻滚着的浓雾，抑或天空中厚重的云层，都给科学家们带来了巨大的挑战。因其运动轨迹非常复杂多变，所以难以进行准确的预测，引发的结果就是我们的天气预报前后矛盾、极不确定，飓风路线测绘也错误不断。你可能会问，流体力学与你我有什么关系？工业革命以来，人类以家庭为单位大约燃烧了350吨化石能源，释放了1万亿吨的二氧化碳（1吨炭释放3.67吨二氧化碳），其中有一半用于过去的50年中，并且增长率还在不断攀升。

我们将这些能源用来干什么了？大多数都是为了克服摩擦力、拖拽力和重力，如果世界上不存在这些摩擦力或拖拽力（运动的阻力），那么每年的能耗量就会减少很大一部分。跑在高速公路上的汽车就在克服空气的阻力，你只需要把手放在车窗上，就能感受到强大的阻力。任何穿过液体或气体的物体（无论是汽车、飞机还是子弹）、任何液体或气体流经的装置（比如管道、烟囱或泵），都需要克服摩擦力或阻力。这意味着几乎人类制造的每种设备或每台机器都在此行列中。流体力学试图通过了解并限制阻力减少能源浪费，提高效率，这也就是我们研究大自然的螺旋形状和螺旋结构的根源所在，这一系列研究对我们地球的未来具有非常重要的意义。

当今世界，没有一位科学家能彻底解释清楚或复制一种昆虫的飞行效率，也无法解释鱼类的游泳能力由何而来，没有一种人造泵和管道系统能与人类心脏和血管系统的效率比肩。从全球范围来看，我们投入了巨量能源给计算机降温，而大自然的超级计算机——人类的大脑，却根本不会出现过热的问题。本书反复强调，大自然做任何事情总是使用最低的能耗和最少的材料。大自然和人类在减小阻力方面采用的策略截然相反，彼此互不借鉴。

大自然的策略是什么呢？为了回答这个问题，我先问另一个问题：两点之间哪种距离最短？比如说，在足球场上两端的球门之间。答案显然是：直线距离。那对于移动流体或者穿过流体的能源或物体而言，两点之间最高效的路径是什么呢？仍旧是直线吗？

几乎所有的工程师和受过传统教育的科学家都会说，是的。然而经过几十亿年的进化，大自然在A点和B点之间传递流体、能源或穿过流体的物质时，采用的路径并不是直线，而是一种与浴缸下水时的涡流同样的螺旋形，工程师和物理学家称之为湍流。工程师在地球上设计出了各种直线管道、直线烟囱和直线排水渠，直边的轮船和飞机，一字排开的方形建筑物，但大自然却从来也永远不会出于任何目的把任何东西做成直线形状。在有史以来的考古记录中，无一例外。所有的生命体，甚至是水晶都是从液态而来，因此生命源于大自然的螺旋流体几何。即便是钻石，放在扫描电子显微镜下观察也很容易看出，它的每一个小面都不是直线。

电子显微镜下的钻石表面

肉眼看到的钻石

现在举起一只手，用手指在你面前的空气中画一个圆，用1秒就能完成。然而当你在完成这个动作的过程时，你在地球上所处的那个位置除了正在绕着地球的自转轴旋转之外，地球还与太阳系中的其他星体一起呈放射状地穿行于太空。我们的地球以每秒18.5英里的速度在太阳系中穿行，同时整个太阳系又以每秒155英里的速度在太空中穿行，所以在你手指于空气中画了一个圆圈回到原点，在太空中这个弧线的长度超过了155英里。你画的圆圈就像一个松开的弹簧那样迅速扩大到155英里长。同样，从一个高楼上落下的砖头看起来是直线下落，只用了几秒就落到了地面上，但它相对于宇宙而言，其实是描绘了一个长弧状的螺旋。事实上，对于直线加速运动或任何看起来是直线运动或平面直线的运动，都如此理。巧合的是，如果一个人在茫茫沙漠中迷路，在被发现的时候，并不会像人们通常认为的那样在沙漠里不断地走圆圈，他们的行走路径其实是螺旋形。

艺术家展现的太阳系的运动轨迹

螺旋形的几何学原理为我们提供了诸多线索，帮助我们探索宇宙中其他物体的运动路径。试想，随着时间的推移，太阳系及行星的运动轨迹就跟艺术家展现出来的形态一样。

1609年，开普勒证明了行星的运动轨迹呈椭圆形，或称鹅卵形，这种说法迄今仍被人们普遍接受。但是这一点也不见得完全正确，因为椭圆形轨迹最终会与起点交会。如果你在一页纸上画一个椭圆，为了封闭这个图，你的笔必须回到起始的地方，就像你刚才在空中画的那个圆。但所有的行星体在太空中都是以螺旋状不断加速或减速的，就像松开的弹簧，从未重复它们自身走过的轨迹，这种更精确的描述为很多问题提供了有价值的思路。

假如我们制造一个面积巨大的水泥平面，并将其置于河床底部100万年，它最终也会像美国西北部的岩石峡谷一样，呈现出螺旋状。

侵蚀地貌

蜿蜒的河流

我们看到，地球上所有的溪流与河道（以及有据可考的火星上河流的遗迹）都呈现出类似的螺旋状路线，从未出现过直线的溪流和河道。其实，在人类活动中，无论是医生为患者安放的动脉支架，还是为将暴雨雨水引入海洋修建的引流桥，抑或是气流管道、输水管道和供油管道等等，我们都能看到液体无时无刻不在试图冲破那些迫使它们直线流动的约束，走出迂回曲折的螺旋状。

如果直线是放之四海皆准的最佳方案，那么自然界的进化演变肯定都会依照直线的方式来完成——即使不是全部，起码也会有一例。但是不论在大黄蜂、鱼类身上，还是植物、人类的动脉上，我们都没有发现直线的轨迹。然而，自然界的螺旋状演化并不是僵硬死板地按照我们所理解的近乎完美的路线而进行下去的。生物在成长过程中，可能会遭遇各种不可预测的情况，它的原始形态会通过适应这种起起伏伏、变幻无常的环境而发生改变。一棵树经历过干旱、火灾、狂风、虫害还能存活，但每一次伤害都会使其偏离原有的生长模式。寄居在海洋贝壳里的动物既可能经历汹涌的波涛，也可能生活在平静的海底，但只要获得适宜的养分，它就会选择保留或放弃所寄居的贝壳。在我们生活的宇宙中，无论多么细微的变化，还是多么宏大的运动，都会面临各种各样难以预料的困难与挑战，但是大自然能够始终如一地将所有这些事物都汇集成为形状相似的螺旋几何体，这种特性超越了物种、时间和空间的限制。无论是何种生物，跨越了几十亿年或光年，跨越了大陆与海洋，都无法阻挡。

动物的螺旋犄角

蝴蝶的舌头

飓风

人类头发的生长

芦荟

菊石化石

螺旋星系

原子粒子衰变路径

帕克斯

古希腊的阿基米德是有文字记载以来最早的仿生学家之一。他最伟大的一个发明就是我们现在所称的阿基米德螺旋泵，人们现在仍旧以各种各样的方式使用这个装置，它也成为21世纪发明的风扇、泵、螺旋桨、搅拌器和涡轮等物品的设计基础。如果你走进森林，注意观察不断上升的薄雾和不断上涨的溪流，你就能想象触发阿基米德创作灵感的瞬间。他一定是意识到了大自然中的水和空气总是以螺旋的形态流动，然后认为自己很可能也能运用这种螺旋做点儿事情。他的洞察力的确意义深远。这种装置很实用——泵水。今天它依然实用，应用于世界上无以计数的机器。但是阿基米德螺旋泵有其局限性——二维的平行边结构仅仅是近似于我们在自然界常见的多弯曲的螺旋体，他的发明具有最优的工作方式吗？

阿基米德螺旋泵

自然界的等角螺线

这是我致力于仿生学的帕克斯科技公司（PAX Scientific, Inc.）所面临的众多问题中的一个。大自然在进化过程中，总是用最高的效率获取最大的效用。如果阿基米德发明的简易二维螺杆是最优的，那么大自然肯定会采用这种装置，但与此相反，宇宙起源以来自然界中出现的几万亿种应用设计中，水流和其他液体的流动都与我们看到的贝壳、花朵或动物号角一样——与阿基米德首创的表簧形状不同，都是三维的对数状螺旋。即便如此，我们也应该放阿基米德一把，即便使用当今的技术，建造一个三维的对数状螺旋泵或者是螺旋桨也非常困难，在他的那个时代就更不可能完成了。

19世纪（也被称为“发现”的世纪）科学界的伟人们确信，宇宙能以大自然所内含的螺旋和涡流状几何学解释，但我们并没有把这种思想应用到现代自然与科技领域。大自然创造出的流体力学，在人类所有涉及机器设备的学科中都是非常重要的一个部分，却完全被忽视了。

为什么呢？工业革命初期，出现了平板金属和平板锯木的冲压和滚轧等工艺，能够把平板卷成圆柱体和圆锥体，但不是大自然的三维曲面。而现在我们可以做到了，人们研发出科学和工程学工具用来处理平面和直线。除此之外，我们发现人类的思维方式也是直线型的，这也成为我们科学界的里程碑。作为人类，我们只不过是在500多年前才摒弃了地球是个平面的观点，但思维方式仍旧是直线型。我们把自己困在限定的思维范式中。大自然运用螺旋几何这种独特的方式传输能源，工业革命之前，人类家庭也都崇敬在艺术上、建筑上和宗教上使用这种形状。然而，尽管迄今为止整个世界都源于并根据大自然的螺旋几何来设计，但当代科学完全无视这种做法。我发现，即便是在当今，仍然只有为数不多的几位工程师和科学家听说过这种无处不在的几何体，更不用说去研究与螺旋几何相关的复杂的数学、物理和机械性能。如果我们把大自然用来减少阻力的方法应用到科技上，可能会发生什么呢？

我换种说法，比如说一个大脑正常、身体机能健全的人一生都在努力工作，但当她每次拿到工资时，都会点把火，烧掉自己所得工资的2/3，你会怎么想？而我们的世界正是在日复一日、年复一年地重复这种做法。为了克服阻力和摩擦力，我们浪费掉了我们所生产出的2/3的能源，这一做法还在延续。相对于我们不浪费能源时的能源消耗比率，当前正以其3倍的速率在摧毁我们的环境和大气。美国每天要消耗价值20亿美元的石油，世界每年要消耗64立方英里^[1]的不可再生化石能源，这堆起来将是一个长宽高均为4英里的高地，相当于安第斯山脉的最高峰或者喜马拉雅山高度的3/4（21 120英尺）。我们在萃取和加工越来越多的化石能源方面显得足智多谋，手到擒来，但是我们将这些能源倒入千疮百孔的桶内，就像我们逼迫着流体按直线运动一样，其实浪费了很大一部分能源。

我想要捕捉这种自然界随处可见的流体运动的三维形状，以便我可以提取最根本的元素，从而将其应用到其他领域。科学尚未认识到湍流几何学的重要性，也没有工具能用数学模型创造这种形状，我只有一个选择：我需要把一个实际的涡流凝固住。为此，我做过多年的实验，有时候也会做得一塌糊涂，但在经历了无数次失败后，我最终成功地达到了目标。

第一款凝固涡流器

我把这种凝固住的涡流体最先用于制作旋转搅拌器。为了应用于工程，旋转器需要在流畅旋转过程中保持平衡，从而避免出现任何破坏力和振动。一个设计出搅拌器、风扇、螺旋桨的工程师建议使用两三片简单的叶片，这样在旋转器旋转时就可以彼此保持平衡，但最终表明，能耗最低且效率最高的旋转器仅仅需要一个叶片，就像大自然中飞在风中的枫树种子。由于大自然不会使用多叶片的旋转器，所以我无法在自然界中找到一个成功的例子加以借鉴，从而用于解决平衡性的问题。我需要做点儿创新。

我的第一个搅拌器是双叶片的，制作的过程简直是场噩梦。当时还没有超级计算机，也没有快速建模的技术（也就是我们现在所说的3D打印技术）。制作所要求的形状已经非常困难了，我还需要在涡流器的上下两端准确找到其中心点的位置，才能在统一的中心转动轴上安装搅拌叶片。我发现几乎无法准确地定位这个中心，直到最后我才意识到，涡流器根本没有中心转动轴，甚至肉眼看到的旋涡中间的那个空气管也是虚空的，并非真正存在。我的中心轴，或称轮轴，只能精密地把两端连接起来，但理想情况下，仍然是虚空的。我做到了这一点，制作了一个搅拌器。

之后我发现，如果在设计叶片时不断加长、加大流线体的外部边缘，它们彼此就会以一种意想不到的方式缠绕在一起。这逐渐发展成为一种新型的高效增压泵，能够驱散鱼类、石块、碎玻璃，或者是血细胞，还不至于破坏基体或出现堵塞。

帕克斯泵

如果我将这个增压泵竖立，沿中心轴水平方向切开，就会创造出各种各样的高效风扇和螺旋桨。我们挖掘并聘用了一些极具智慧的工程师和流体力学家，才得以将此设计应用于实践，之后我们就可以根据客户对性能的要求为他们量身定做了。

帕克斯风扇和螺旋桨

如果沿其他角度切开这些流线体，我们可以生产出涡轮机叶片，这种装置不会伤害鱼类，也不会被水草、塑料或者小石块堵塞。这些涡轮机既不会产生气蚀也不会搅浑水流或空气，从而浪费湍流，将其放入快速流动的溪流中即可，很简单，不需要什么水坝。

长期以来，我一直想开发一种更安全、更高效的船舶螺旋桨，尤其是在我的一位朋友失去他的儿子之后，当时那个小男孩从船舷边落水，随即被舷外侧的螺旋桨残忍地夺去了生命。喷射泵比较安全，但效率低，如果我能制造一个高性能的喷射泵，轮船螺旋桨就可以被取代。大自然在水母和头足类动物——鱿鱼、鹦鹉螺、章鱼和墨鱼身上设计出了各种各样卓越的喷射泵。

帕克斯涡轮机

我把大自然的几何形状和运作方法应用到手工打造的喷射泵原型上，在西澳大利亚州的弗里曼特尔市对这个原型机进行了测试。我们把喷射泵安装到一艘驳船上，这艘船沿着我们的科研船来回浮动。经过一段时间，我们惊奇地发现，这种喷射泵不仅能把浮萍下的蚌吸出来吐到另一边，还能拖动拴着这条驳船的150英尺长的大船前进。

当时观看这个测试的一个工程师朋友非常郑重地说：“杰伊，这绝对不仅是更先进的喷射泵。这个设备能当作泵，还能当作搅拌器、风扇、螺旋桨、涡轮机——能处理任何流体的设备。”

不论我创造出什么——热交换器、燃烧室、管道、机身设计，虽然使用的是玻璃纤维手工制造，都远未达到精密的程度，但都能投入使用，取得的效果绝不亚于课堂上最好的设计。总而言之，我们掌握的技术具有高效、节能和环保的特点，足以改变整个世界的工业模式。毫无疑问，我们正朝着一个宏大而艰巨的目标迈进。

整合创新

1997年，我和妻子弗兰切斯卡·博通在美国加利福尼亚州创立了帕克斯科技公司，当时我们已经积累了一系列的应用专利和一些概念原型机，也设立了公司的仿生学发展愿景。我们想要快速普及大自然的流线体节能设计，这是我在该领域内经过多年的实地研究并对这种概念进行试验验证之后得到的结论。我们一直在澳大利亚的研发船上做研究，但是随着越来越多的工业产品开始应用这种技术，我们显得有些力不从心了。全靠我们自己，已无法完成全球范围内的安装和应用。此外，虽然西澳大利亚州是个美丽的地方，非常适合生活，但这里不适合研究流体力学，无法成为科研的温床和创新的基地，所以我们计划搬到美国的加利福尼亚州去，到那里发展我们的企业，将技术授权给那里的顶尖企业，由他们的研发部门来推广这些技术。他们可以利用我们的技术开发产品，之后向我们支付小部分的专利费用。

在加利福尼亚州北部，我们最初的工作地点是在家门口，就是把一个车库改造成了实验室而已。当时我写了一封信来介绍我自己以及我们的技术，然后把这封信邮寄给了《财富》世界500强公司中的22位首席执行官。几个星期之后，我们收到了17份回复，进而开始与他们碰面，并与他们工程部的经理接洽。这种反馈情况当时看起来是个绝佳的信号。在之后的几个月内，我不断与各位首席执行官或者他们的执行总裁见面，他们几乎每个人都给了我热情的反馈，同时那些与我们见面的工程师们也表现出了强烈的兴趣。然而，我们迟迟得不到高级工程师和产品开发经理的响应。后来我们才知道，我们拜访的很多大公司本身都不再生产产品了，他们仅仅组装零部件，只不过是个转销商，做一些增值工作而已。这些大公司只在成品上印上他们公司的大名，而加工环节则交由代工工厂完成。即便如此，我们并没有气馁，那些位居食物链顶端的大公司的副总工程师们也给我们提供了很多帮助，把我们介绍给他们的供应商，但后来我们发现他们的供应商很少有研发能力，有些甚至完全没有。他们不愿意采用外部的想法，不愿意冒这个风险，也可能是他们的预算有些捉襟见肘，在创新方面有所限制。我们的设计竟然无法落地。我们清楚，想要吸引潜在的生产类客户，首先需要制造有形的产品，然后才能进行同类比较。

从哪里开始呢？我们先做出了一个产品矩阵，然后寻找我们认为帕克斯公司能够冲击的领域，最后确认了500多类市场部门——我们可能改进上亿种产品，但我们必须专注。根据目标市场规模、市场进入的难易程度、开发原型机所需的成本和时间、各类行业的证照和指标、该行业部门的能效要求等在内的各项因素，经过综合分析，我们首先列出了一个产品清单，包含风扇、搅拌器、泵和螺旋桨。我们开始手工制作原型机，与市场上现有的顶级产品进行对比。

那个时候，我们正在向天使投资人募集资金，那时这还算是件重大的事情。之后发生了“9·11”事件的悲剧，接踵而至的军事冲突引起了国际上的高度关注。当时，清洁技术和环保科技还仅仅是个新兴的术语，提高能效仍然只不过是一句口号，还远未成为产业的动力源泉。互联网泡沫也已经破裂。我们在20世纪90年代末对一些风险投资公司进行了研究，结果发现全美只有7家公司投资于机械工程发明，而且他们还倾向于投资扩张期的公司，而这与我们的发展阶段不相符。尽管如此，由于我们公司距离著名的硅谷并不远，我们还是与风险投资人进行了几次对话，但都颇为滑稽。他们也表示了投资的意向，前提是我们需要将技术转化为网站的形式。

拒绝了他们之后，我们每隔6个月左右，就要为接下来的6个月做预算。随着私人投资者的不断增加，他们也形成了一个快速扩张的圈子，这些人富有前瞻性，能够预见能源领域亟待一场剧烈的变革，以提高利用效率，他们也了解我们的产品模式，与市场上同类产品相比我们具有优势，通过他们，我们获得了进行下一阶段研发所需的资金。

在之后的几年中，我们陆续制造了一批原型机，也对这些原型机进行了测试。同时我们还与一些顶级制造商对话，并在团队中增设了商业开发人员和技术人员的岗位。按照我们的计划，帕克斯科技公司就是一家创造知识产权的研发类公司。我们在确定了适合自己的目标市场之后，就可以将专利授权给其他企业家，或者自己设立的子公司，有针对性地开展工作。由于我之前有过被恶意收购的悲惨遭遇，所以我们下定决心，在帕克斯科技公司及其各子公司快速发展的各个阶段，都要对它们保持绝对的控制。创立几家专注于各个特定市场的子公司对我们来说大有裨益，因为新的投资者只能在更为细分的商业领域里购买我们的股票，这样就不用担心其对母公司股权的直接稀释。

后来我们经过朋友介绍，结识了同样住在旧金山湾区的保罗·霍肯。他是一位成功的企业家兼作家，同时还是可持续发展和自然资本主义的积极倡导者。保罗充分理解我们安排母公司专注于科研和知识产权，通过独立团队来处理产品商业化问题的发展愿景。保罗在自己的天使投资人的帮助下，创建了一系列细分行业的公司，包括计算机制造、工业风扇制造和汽车风扇制造。帕克斯公司在世界范围内为这些公司提供知识产权授权，作为交换，他们会向帕克斯公司支付预付金以及部分收益。在聘用了一批管理人员后，保罗就开始着手将风扇设计推销给不同的生产企业。

帕克斯公司的风扇相对于竞争对手的扇叶而言，能够降低50%的能耗，通常也能极大地降低噪声。例如，帕克斯风扇公司为家用冰箱开发了一种高效的蒸发器风机。而那时美国市场上最常用的产品还是1961年的设计，仍安装在每年数百万台新冰箱内。在过去的几年中，他们做了很多次尝试来改进它的性能，但都失败了。而我们类似的扇叶能够节约45%的能耗，从而让冰箱生产商通过能源之星^[2]的认证，同时还能降低44%的噪声。欧盟能源报告指出，风扇耗用了全球18%的电力，这份报告通过分析得出，如果帕克斯公司的风扇得以全面应用，全球将能节约4%的电力（每年约400亿美元），从而实现高达4%的节能减排。

在保罗和他的团队进入风扇设计和风扇授权的领域后，我们也开始考虑下一个准备涉足的行业，这次我们决定采用完全不同的商业发展模式。与其他很多仿生学创业公司一样，我们对于自己的目标市场来说也是个门外汉，更何况我们的目标市场往往存在于因循守旧、走下坡路的夕阳领域。在这些行业当中，我们虽然已经拥有大量科研数据，但缺乏商业经验，市场研究报告和生产厂商发布的小册子虽然制作精美，但没有传递任何相关行业价值链的实用信息。这让我想起自己的经历中一个颇为经典的故事，在与美国最大的制造商的高管坦诚交流后，我们达成一些共识，并开始探讨合作研发的可能性，他承认，他们公司网站上展示的那位身穿白大褂、聚精会神地凝视电脑屏幕上流体力学画面的科学家，实际上是会计部门的一个女孩。他们公司根本就没有人能处理这些数据。

我们除了研究市场分析报告、仔细阅读贸易期刊外，还与来自各个领域的专家（职业工程师和商业精英）建立联系，虚心向他们取经，学习相关知识，从而了解到各个行业的工作模式。这种策略一直都是我们的立足之本。通过保罗·霍肯的介绍，我们认识了一位工程师，他在水产业拥有多年丰富经验，同时还拥有工商管理硕士学位。我们将搅拌器测试数据提供给他，并向他请教帕克斯公司的仿生技术未来可能在哪个新兴领域崭露头角。根据他的研究结果，我们成立了帕克斯制水科技公司。与其他子公司不同，帕克斯制水科技公司的主要运营模式并不是出售设计方案，授权其他企业使用，而是自主生产并销售水力搅拌装置。

帕克斯制水科技公司的专利产品是水流搅拌器，完全模仿了凝固涡流器，现在已经应用于200多个城市。该搅拌器主要用来搅动饮用水的蓄水池，使池中的水流动起来，避免池中形成死水，导致其分层变质。这样一来，从水龙头里流出的水就减少了高达80%的残留消毒剂（包括你有时会闻到和饮用的会致癌的氯），同时市政府在保持水源清洁方面，也能减少高达90%的能耗。帕克斯制水科技公司每年的销售额都会翻番，并赢得了一系列工业奖项。它在科技公信力方面已经成为一名引领者，现在正在把其他仿生产品引入饮用水市场中来。

帕克斯制水科技公司成立之后，我们决定在下一个子公司中运用混合模型，即帕克斯搅拌器公司。帕克斯制水科技公司已经明确锁定了一个具有巨大增长潜力的新兴市场，所以帕克斯搅拌器公司的营业范围非常宽泛——所有的搅拌器（不包含水产业），包括食品、化学品、颜料、汽油、医药、血液等等。帕克斯搅拌器公司的创始人兼首席执行官曾有过获得政府拨款的经历，所以我们很快就从美国商务部的“先进技术计划”中获得了一项长达三年共几百万美元的拨款，用于研究仿生叶轮与嵌入式搅拌器结合起来所能带来的经济效益。这对生产率的提高有极大的帮助，也是我们的一次积极经历，同时还是帕克斯全部公司中第一个获得政府拨款的项目。

帕克斯“百合牌”搅拌叶轮

到了2007年年初，帕克斯公司已经得到了广泛认可，成为业内主导。与此同时，油价与前几年相比急剧上涨，清洁能源技术成为新宠，风险投资人都极为迫切地与我们碰面，我们也在不断地评估，考虑如何才能最大程度发展我们的企业。当时公司设立了三个子公司，但还有几百个项目要去做，我们认识到，如果我们还是这样一次成立一家公司的话，那长期来看我们有生之年都无法完成。我们认为我们有足够多的应用装置，完全可以做一个更大的项目，一次性把几个高能耗市场涵盖进去。这里有个例子，暖通空调市场（具体指采暖、通风、空调系统）消耗了美国超过1/3的电量。空调系统跟扇叶和搅拌器不一样，是一种由多种元器件和子系统构成的体系，子系统就包括了风扇、泵、导管、热交换器等等。开发一整套新的系统意味着同时开发几套帕克斯公司的技术组件，这需要花费大量的钱，也就意味着某种形式的风险投资。

经过与公司顾问和股东之间长达数月的讨论，我们与一位企业家兼风险投资人确立了合作关系，他就是亿万富翁维诺德·科斯拉先生。维诺德在与美国一家顶级风险投资公司合作多年之后，创立了新的风险投资基金，专注于投资清洁技术。他的科斯拉风险投资公司向清洁技术投资了数十亿美元，投资范围涵盖燃料乙醇、节能照明以及高效蓄电池。我们大约筹集了1 300万美元，部分来自我们的股东，他们也想提高自己的参与度。利用这笔资金，我们在2008年年初创立了另一家子公司——帕克斯流线体公司。该公司通过招募由顶级科研人员和商务精英组成的团队，成立了研发部门，开始以我们先前关注的六大产品领域为核心的研发工作，其中包括风力涡轮机、泵以及新型制冷循环系统。此时此刻，墙外乌云密布，美国和世界金融市场的暴风雨即将来临。

人类在100多年前发明了冰箱和空调，而这两项发明对于当今世界的影响可谓极其深远。几千年来，人类都是通过发酵、盐腌、晒干、烟熏或酸浸的方法保存食物。其实，有人认为啤酒最初也是源于对谷物的保存而发明出来的，谷物存放时间过长就会发霉或者被啮齿类动物和象鼻虫吃掉。军队士兵在行军过程中都需要罐头食品，只有保证食盐能持续供应，维持肉类中蛋白质成分不下降的情况下，军队才能保持较好的战斗力。包括美国独立战争和南北战争在内的许多军事战争中，都实施了夺取和消灭敌方盐矿的战略，或者至少是破坏敌方盐矿的运营。因为没有食盐就没有食物，没有食物就无法行军。

威利斯·开利发明的空调给世界带来了巨大变革，但同时也带来了严重的副作用。比如氨气等制冷剂就具有很强的毒性，其他常用的制冷气体也对大气环境产生异常有害的影响，其中一些气体的全球变暖潜能值要比二氧化碳高出数千倍。传统的制冷循环要比这些问题更为严重，能耗也很高，而且还会导致发电站排放出大量的二氧化碳。如果我们能解决这些问题，那么对人类社会和生活环境来说，都将带来很高的效益。

大自然也是制冷领域的专家。动物通过出汗来为自己降温。我们人类的超级计算机——大脑，只有在生病的时候才会发热，还仅仅是升温了几度而已。龙卷风和飓风本质上就是一种热力发动机，同时又能够高效制冷，还不会排放任何有毒气体。我在几十年前就理解了大自然的冷却原理，并创造出一套全新的理念，用于指导冰箱和空调的制造。帕克斯流线体公司由汤姆·吉尔达博士领导的研发团队，在斯蒂夫·埃克尔斯博士领导的堪萨斯州立大学团队的协助下，已经将尖端物理学应用于该理念，并制作出了原型机。这被认为是100年来第一个新型制冷循环系统。

随着气候变化和全球污染问题的日益严重，我们的产品也获得了越来越多的关注。通过在欧洲和亚洲的各种会议上发言，我了解到大城市出现了越来越多的雾霾现象。将我们的搅拌技术应用到更大的市场——天空，我对此显示出了极大的兴趣。

污染通常随着风飘向不同的城市，但那些空气质量极差的超大城市所在地区的地形地貌大都极其相似——多被山脉环绕。这种地形将城市包围形成碗状，烟雾缭绕，空气质量完全取决于天气，如果没有风，烟就不会散。洛杉矶、北京、墨西哥城、米兰、德黑兰，以及其他几十个城市都有过类似的经历，几十年来一直普遍存在危害健康的污染问题。尽管帕克斯公司的几何技术的效果已经得到证实，但我们能用这种技术消除城市中的肮脏逆温层，驱散雾霾，同时还不会有任何副作用吗？我们的计算机模拟结果显示：是的。只要轻轻地推动雾霾，让它流出环绕着它的“碗”，就可以解决这个问题。类似的仿生方法也可以解决潮湿地区的有核雨滴问题。世界上有大片干旱地区，潮湿度通常都很高（高达90%），但不会形成降雨。诸如中东的海湾地区、澳大利亚的西北部、非洲以及中国的部分地区都位于沿海地带，较高的气温造成高蒸发率。这项应用的光明前景，让我们甚是兴奋，于是我们与一个有胆量从事探险活动的企业家签订了一份合同，请求他帮我们落实这种想法。他用了几个月的时间分别与来自美国和中国的环境学家、政治家以及商业人士沟通，评估我们这种想法的利弊。通过社交圈，他认识了一位成功的英国商人，这个英国人在中国成立清洁能源技术公司，经营碳交易业务。他住在北京，也热爱这座城市，但是北京严重的雾霾让他开始怀疑全家是否还能继续住在那里。为此，他向帕克斯搅拌器公司提供赞助，用于研发大气混合技术，这一举动真正诠释了企业家精神的精髓。实验进展得十分顺利，到2012年年中，我们就取得了令人瞩目的前期研究成果，下一步需要获得在这个领域进行测试的政府许可，测试可能是在中国。我们会持续关注测试的结果。

我早在孩提时代就有幸认识到，自然界的演化都是螺旋式上升、波浪式前进、充满波折与反复，并且精确无比的过程。成年之后，我了解到人类技术的主要作用还是抑制这种波折与反复。但是，大自然绝不会放弃任何一个“制造麻烦”的机会，它会积蓄力量，等待时机。从鸟类、昆虫、鱼类以及人类心脏的演化过程都能清晰明确地看到这种策略的优势。人类一意孤行地要做到直线式发展，狂饮能源，大自然的演化却呈螺旋状前进，浅尝辄止。这是个非常简单的事实，但我们只有真正领会这种情况存在的意义，才能另辟蹊径，为人类发展打开一扇全新的大门，彻底改造我们的工业世界，并找到必要的工具，挽救我们千疮百孔的地球，解决持续膨胀的人口和岌岌可危的经济。通过了解大自然的螺旋几何状发展模式并应用这种模式，我非常有信心将世界的能源消耗减半，并且不需要付出任何代价。

[1] 原文是“4立方英里”，按照长宽高都是4英里来计算，应该是64立方英里。——译者注

[2] 能源之星（Energy Star），是一项由美国政府主导，主要针对消费性电子产品的能源节约计划。能源之星计划于1992年由美国环保署和美国能源部共同启动，目的是为了降低能源消耗及减少温室气体排放，能源之星标准通常比美国联邦标准节能20%~30%。——译者注。