当电子器件过热时，它无需传感器、无需外部供电，仅凭自身温度升高便能“自动觉醒”，瞬间将热量导出;温度回落后，它又悄然“沉睡”，切断热流通路。北京大学刘珂、杨林团队研发的双稳态折纸热开关，以13984倍的热导切换比刷新世界纪录，为AI芯片、高功率电池和机器人系统的智能热管理带来全新范式。

一、热管理的“开关困境”

随着人工智能、高功率电子器件和机器人技术的飞速发展，核心组件的功率密度持续攀升，热管理挑战日益严峻。设备运行时产生大量热量，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：热切换比(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，大多数热开关需要持续外部供能或复杂传感反馈，无法实现“被动式”智能调控。

二、科创亮点：折纸结构+形状记忆合金，刷新被动热开关性能纪录

2026年2月24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合作的研究成果“Bistable Origami Thermal Switch with High Switching Ratios”发表于《自然·通讯》(Nature Communications)。研究团队从古老的折纸艺术中汲取灵感，首次提出双稳态折纸热开关，实现了无需持续供能、无需传感器的高对比度热调控。

亮点一：13984倍开关比，刷新世界纪录

在高真空稳态导热测试中，该热开关展现出惊人的性能：

这一数据不仅刷新了被动热开关的性能纪录，更远超现有主流热开关技术。OFF态界面温降约41.87℃，ON态温降仅0.189℃，意味着开关在“关闭”时近乎绝热，“开启”时热流畅通无阻。

亮点二：被动触发——无需外部供能、无需传感器

热开关的核心机制在于折纸结构的双稳态特性：结构能在两种稳定几何形态间快速切换，且无需持续能量维持任一状态。

研究团队将形状记忆合金与弹性弹簧组合作为驱动机构。形状记忆合金在特定温度下发生相变产生形变力，与弹簧的弹性回复力协同，触发折纸结构的“突弹跳变”——这一过程完全由温度自身驱动，无需外部供能或传感器介入。

纯结构翻转可小于90 ms;经结构与驱动优化，可实现双向200 ms级切换。

亮点三：可编程调控——触发温度可定制

通过改变折纸结构的初始几何设计，团队成功实现了对开关性能的定制化调控：

能量势阱调控：改变折纸臂长度、角度等几何参数，调节结构切换所需的能量壁垒

触发温度可编程：可在宽温度范围内设定开关的“觉醒点”

循环稳定性：超过1000次循环后性能无衰减

亮点四：真实环境验证——大气中仍保持1360倍开关比

虽然真空环境下的13984倍开关比最为惊艳，但团队特别验证了器件在大气环境下的表现——1360倍的开关比仍远超大多数已报道热开关，证明了其在真实应用场景中的实用价值。

三、技术内涵：双稳态折纸如何实现“智能热控”

研究团队详细揭示了热开关的工作机理：

双稳态结构设计：基于薄片材料通过精确切割与折叠，制备出具有两种稳定几何构型的折纸结构。在一种稳态下，结构与热沉紧密接触，热阻极低(ON态);在另一稳态下，结构脱离接触，形成真空间隙，热阻极高(OFF态)。

热致驱动机制：形状记忆合金在温度升高时发生马氏体相变，产生收缩力;该力与弹簧的弹性回复力协同，使结构跨越能量势垒，发生突弹跳变，瞬间切换至另一稳态。

几何可编程性：通过设计折纸结构的初始几何参数，可精确调控能量势阱的形态，从而实现对触发温度和切换比的可编程设计。

这种“几何主导的双稳态特征”具有潜在尺度可拓展性，为未来面向芯片级集成的像素化、可编程热管理提供了新的思路。

四、应用前景：从电池到芯片，从热管理到热计算

1. 高功率电子器件与AI芯片

研究团队已在电池、功率放大器、蓝牙芯片、LED与DC-DC转换器等器件上成功验证了热开关的自动控温效果。随着AI芯片功率密度持续攀升，芯片级热管理将成为刚需——该技术的像素化、可编程潜力，有望实现芯片表面热点区域的精准热调控。

2. 机器人系统与动力电池

机器人在高负载运动时，电机和电池产生大量热量;闲置时又需要保温。该热开关的“被动响应”特性使其天然适配机器人系统：温度升高自动开启散热，温度降低自动切断热流，无需消耗宝贵的电池能量。

3. 航天与深空探测

在真空环境中，辐射是唯一传热方式，热管理难度极高。该热开关在真空下13984倍的开关比，使其成为航天器热控系统的理想候选——可在需要时导出热量，不需要时近乎绝热。

4. 热逻辑电路与热计算

论文特别指出，双稳态折纸结构不仅可作为热管理器件，也为热逻辑电路等新型热计算架构提供了器件基础。未来或可构建以热而非电为信息载体的计算系统。

五、产业意义：让热管理“被动而智能”

这项研究的深层价值在于重新定义了智能热管理的技术范式。传统主动热管理依赖温度传感器+控制器+执行器的闭环，不仅系统复杂、响应滞后，更要持续消耗能量。而北大团队开发的折纸热开关，让器件自身同时充当“传感器”和“执行器”，实现了真正的被动智能。

正如论文通讯作者之一、北京大学刘珂研究员所言：“BOS的双稳态不仅可作为热管理器件，也为热逻辑电路等新型热计算架构提供了器件基础;同时，其几何主导的双稳态特征具有潜在尺度可拓展性，为未来面向芯片级集成的像素化、可编程热管理提供了新的思路。”

当AI芯片、动力电池和机器人系统对热管理的需求日益严苛，这项源自古老折纸艺术的创新，正为高端设备制造打开一扇全新的大门。

来源：北京大学先进制造与机器人学院；作者：共同通讯作者——刘珂研究员、杨林研究员(北京大学);第一作者——谭博文博士后、吕骏博士生(北京大学)；题目：Bistable Origami Thermal Switch with High Switching Ratios；发表于：Nature Communications(2026年2月24日)。