一张“折纸”攻克电子设备高温难题

来源：光明日报

本报北京4月8日电（记者晋浩天）

手机越用越烫、电脑风扇狂转……这些困扰现代人的日常烦恼，背后都指向同一个难题：高功率电子器件的散热。当芯片越做越小、功率越来越高，如何把热量精准“送出去”，又不让这些热量“偷跑”回来，成了热管理领域的“老大难”问题。日前，记者从北京大学获悉，北京大学先进制造与机器人学院刘珂课题组与杨林课题组合作，从折纸艺术中获得灵感，给出了一个意想不到的解决方案：通过双稳态折纸热开关，成功实现了无需外部输入的电子器件智能温度控制，相关指标刷新世界纪录。

刘珂介绍，这项名为“双稳态折纸热开关”的研究，核心是一张会“变魔术”的折纸。研究团队设计了一种特殊的折纸结构，轻轻一按，结构就会翻转到另一个形态。这个看似简单的动作，却能精准控制热量流向：当折纸处于“开”的形态时，它把发热器件和散热部件紧紧压在一起，热量顺畅地流走，仿佛给设备打开了散热窗；切换到“关”的形态时，它又把两者轻轻分开，中间隔着一道真空般的缝隙，热量几乎无法传递，就像关上了窗户把冷空气挡在屋外。

“这种设计，效果惊人。”杨林说，在真空环境下的测试中，“关”状态下的界面温差高达41.87摄氏度，导热能力被压缩到极低；而“开”状态下的温差仅0.19摄氏度，导热能力飙升到前者的近一万四千倍。“开关比”指标达到13984，刷新了被动式热开关的世界纪录。更难得的是，即便在空气对流环境中，“开关比”依然能保持1360，这意味着它不挑环境，从实验室到现实场景都能稳定工作。

研究团队给这个折纸结构配上了一位“温度管家”——由镍钛形状记忆合金和弹性扭簧组成的“热致驱动器”。这种组合“记性好”，温度升高到设定值时，它会自动变形，推动折纸结构翻转；温度降下来后，它又恢复原状，把折纸拉回来。通过一个机械调节器，还能精确设定触发温度。整个过程无需任何外部电源和传感器电路，完全靠温度自己说了算。

刘珂表示，速度快也是这项技术的一大亮点——纯结构翻转不到0.09秒，配合驱动优化后，来回切换都可在0.2秒内完成。研究团队已在电池、功率放大器、蓝牙芯片、LED灯等多种设备上完成了验证，这些器件在运行中能根据自身温度自动开关，把温度牢牢控制在理想区间内。

“这项研究的价值不止于散热。双稳态折纸结构的特性，让它天然具备‘记忆’能力——不需要持续供电就能记住自己处在什么状态——这种特性为热逻辑电路等新型热计算架构提供了可能，未来的计算机或许不仅能用电做运算，还能用热量传递信息。同时，这种几何结构主导的设计具有良好的可缩放性，我们正在将其从厘米级缩小到芯片级，为未来面向芯片级集成的像素化、可编程热管理提供了新思路与方法。”刘珂说。