一张“折纸”攻克电子器件高温难题
北京大学团队受折纸艺术启发，研发出双稳态折纸热开关，实现热流的自感、自驱、自控。该开关无需持续供电即可自动切换构型，精准控温，已在电池、功率放大器等设备上验证，未来有望用于芯片级可编程热管理。
手机发烫、电脑性能下降、电池续航缩水……这些场景，是不是听着就头疼？它们都指向同一个核心难题：先进电子器件的热管理。说白了，就是电子器件怎么精准控温的问题——热量要是不能及时散出去，设备寿命会缩短，性能会打折扣，甚至可能带来安全隐患。
这次，北京大学先进制造与机器人学院的刘珂、杨林两位研究员，从传统折纸艺术中找到了灵感，带领团队研发出一种双稳态折纸热开关，为智能热管理提供了全新的思路。相关研究成果已经发表在《自然·通讯》上。
说起来，这项成果源自一次生活观察。有一次，刘珂和杨林在买咖啡时无意间注意到，咖啡杯外层的折纸杯套，隔热效果相当不错。一个念头就这么冒了出来：“能不能把折纸结构用在热管理上？”这个想法，成了团队攻关的关键方向。
进一步想，如果折纸结构不只用来隔热，还能在两种稳定构型之间切换，从而改变热传导路径，那它是不是就能变成一种全新的热管理器件——像开关控制电流一样，实现对热流的稳定、可逆、高效调控？
“打个比方，如果把电子器件比作高速运转的‘发动机’，那么温度就是决定它能否稳定、持久运行的关键。”杨林解释说。想要实现热量的“按需导走”和“及时阻断”，做好这个控热“开关”，并不容易。
“电灯开关，轻轻一按就能控制电路，但同样的思路，放在热量上就不灵了。”刘珂补充道，“一方面，如果你把一个普通的机械开关塞到发热的芯片和散热片之间，开关本身就会变成一条传热的小路——热量会顺着它‘偷跑’出去，关也关不严。另一方面，电灯开关得靠人去按，而电子器件发热的时候，总不能再用另一个会发热的电子器件去帮它控制开关吧。”
在折纸艺术里，平面的纸可以随意折叠成三维形状。受此启发，团队做出了热开关的雏形，并在折痕中嵌入了一个“温度感应器”——一个由记忆合金和扭簧制成的热驱动器。
有趣的现象出现了：温度一升高，折纸就自己翻折，打开散热通道；温度一降，它又恢复原状，切断热量传递。整个热量控制过程精准、自动，完全不需要人为干预。
目前，团队已经在电池、功率放大器、蓝牙芯片等多种设备上完成了验证。在运行过程中，器件能自动把温度控制在理想区间内。
刘珂表示：“双稳态折纸热开关不仅在开关比和开关速度这两个关键性能参数上表现出色，还实现了热开关的自感、自驱、自控。”
最妙的是，这个双稳态折纸天生有个本事——不需要持续供电，就能牢牢“记住”并动态“调整”自己的状态。这为“热逻辑电路”提供了可能。未来的计算机，或许不光靠电做运算，还能用热量来传递信息。
“同时，这种由几何结构主导的设计，具有良好的可缩放性。”刘珂展望道，“我们正在把它从厘米级缩小到芯片级，为未来芯片级集成、像素化、可编程的热管理，打开全新的思路。”
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