一张薄薄的折纸，在两种形态间瞬间翻转，竟能让热流“开”与“关”的差异达到上万倍。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开发的双稳态折纸热开关，在高真空下实现了高达13984的热开关比，刷新被动式热开关的性能纪录，为AI芯片、高功率电子器件和机器人系统的智能热管理开辟了新路径。

一、热管理的“开关困境”

随着人工智能与机器人技术的飞速发展，其核心功率电子器件的功耗密度持续攀升。设备运行时产生的大量热量若无法有效散发，将导致性能下降甚至损坏。理想的解决方案是实现动态、可逆的热调控——让热流根据需要在“导通”与“关断”状态间切换。

然而，现有热开关技术面临一个核心瓶颈：热开关比(高、低热导状态的热导率比值)往往不够高，难以满足高功率密度场景下的精确温控需求。更重要的是，大多数主动式热开关需要持续外部供能或复杂传感反馈，不仅增加系统复杂度，也降低了可靠性。

如何在无需外部能量输入的情况下，实现高开关比、快速响应且稳定的热开关，是当前研究的关键难题。

二、科创亮点：折纸结构+双稳态+形状记忆合金的三重创新

2026年3月3日，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在《自然·通讯》发表研究，首次提出双稳态折纸热开关(Bistable Origami Switch, BOS)，从古老的折纸艺术中汲取灵感，为热管理难题提供了全新解法。

亮点一：几何主导的双稳态设计，无需能量维持状态

研究团队的核心创新在于利用双稳态折纸结构作为主体。这种结构具有两种稳定的几何构型，可通过“突弹跳变”(snap-through instability)在两种形态间快速切换。

当结构处于“ON”态时，热沉与器件紧密接触，热流通路顺畅;当结构切换至“OFF”态时，接触分离，在界面处形成真空热阻层，热流被有效阻断。关键在于：两种稳态都不需要持续供能维持，实现了真正的被动式热管理。

亮点二：13984的惊人开关比，刷新性能纪录

研究团队在高真空稳态导热测试中对该器件进行了严格表征，结果令人振奋：

这一数值远超现有被动式热开关，刷新了领域内的性能纪录。即使在常压空气环境中，开关比仍高达1360，显示出在真实环境下的良好适用能力。

亮点三：形状记忆合金+弹簧的复合驱动，触发温区可编程

为实现被动、可逆且可编程的触发温控，团队采用NiTi形状记忆合金与扭簧构成热致驱动器。

工作原理精巧而简洁：当温度达到预设阈值时，形状记忆合金发生相变产生形变力，与弹簧的弹性回复力协同作用，触发折纸结构的突弹跳变，实现状态切换。通过引入TPU调节器调控能垒，可对触发温度进行编程设定，满足不同应用场景的需求。

亮点四：毫秒级快速切换与稳定循环

纯结构翻转可小于90毫秒;经结构与驱动优化，可实现双向200毫秒级的快速切换。同时，器件展现出优异的循环稳定性，为实际应用奠定了基础。

三、应用前景：从芯片散热到热逻辑电路

1. 高功率电子器件的智能温控

研究团队已在电池、功率放大器、蓝牙芯片、LED与DC-DC转换器等多种电子器件上验证了BOS的实际效果。当器件温度超过安全阈值时，热开关自动导通散热;温度回落后，自动切换至关断状态减少热量流失，实现“按需散热”的智能温控。

2. 为热逻辑电路提供器件基础

论文指出，BOS的双稳态特性不仅可用于热管理，也为热逻辑电路等新型热计算架构提供了器件基础。未来，基于热流而非电流的逻辑运算或将成为可能。

3. 芯片级集成的像素化热管理

折纸结构的几何主导特性使其具有潜在的尺度可拓展性。团队展望，未来可通过微型化设计，实现面向芯片级集成的像素化、可编程热管理阵列，为下一代AI芯片的热设计提供全新思路。

四、产业意义：为极端热流密度时代准备“智能开关”

这项研究的深层价值在于开辟了利用机械不稳定性实现极端热属性调控的新途径。当芯片功耗密度持续攀升，传统散热方案渐趋极限时，这种无需外部供能、开关比极高、响应迅速的热开关，有望成为高功率电子设备的热管理“标配”。

正如《自然·通讯》论文所言，这项工作为下一代功率电子、AI芯片和机器人系统的高效、智能热管理提供了“一种新颖且极具前景的解决方案”。

来源：北京大学先进制造与机器人学院；作者：共同通讯作者为北京大学刘珂研究员、杨林研究员;博士后谭博文、博士生吕骏为论文第一作者;共同合作者包括清华大学博士生杨馥玮、北京大学硕士生徐可、博士生乔硕、北京大学宋柏研究员；题目：Bistable Origami Thermal Switch with High Switching Ratios(双稳态折纸热开关实现高开关比)；发表于：Nature Communications(2026年3月3日)