具有高开关比的双稳态折纸热开关

让高温电子安全地保持凉爽

从人工智能芯片到电动汽车，现代电子设备越来越小、性能更强、产生的热量也更多。如果温度控制不当，性能会下降并且组件会提早失效。工程师希望有一种简单、自动的“热阀”，只有在设备过热时才开启散热，而在降温后再关闭以节省能量。本文介绍了这样一种开关：由受折纸启发的巧妙折叠薄片构成，能够显著改变热流通量——无需连续供电、传感器或计算机。

像热阀一样工作的折叠薄片

该工作的核心是将一块薄膜按星形图案切割并折叠，中心板周围有五条臂。得益于其几何形状，这个折纸件具有两种稳定构型：一种是平展构型，顶部板靠近冷表面；另一种是抬起构型，顶部板高悬于其上方。在平展构型中，通过实接触热量容易传导；在抬起构型中，由于存在间隙和细小通道，热传导非常弱。作者基于这一特性构建了“二稳态折纸开关”，它可作为热的物理开—关阀，在高导热态与低导热态之间稳固保持，直到外力促使其跃迁。

开关如何自我动作

为了使该折叠结构成为自动装置，团队在靠近中心板的折痕处添加了小型温度响应执行器。每个执行器由一根形状记忆合金丝（受热时改变形状）与一根在冷却时拉回的微小弹簧组合而成。当被控电子设备变热时，热量传递到执行器。超过设定温度时，合金丝变直并克服弹簧的拉力，推动折纸件向下跃入平展的高导热态。随着设备冷却，合金丝放松，弹簧重新占优，结构又会弹回到抬起的绝热态。一个额外的弹性绳（称为调节器）微调翻转所需的力，使设计者能够设定开关转换的温度。

创纪录的热流控制能力

研究人员使用标准装置在两根金属杆（一个加热，一个冷却）之间测量开关在两种构型下的导热性能。在抽真空条件下，空气中杂散热传导被消除，抬起态表现出巨大的温差跃升，意味着几乎没有热量泄漏通过。处于平展态时，这一温差几乎消失，证明热量可以顺畅传导。所谓“开”与“关”状态下热流之比——关键性能指标——在真空中接近14,000，远高于此前任何被报道的被动热开关，在常压空气中仍约为1,360。建模显示，这一性能来源于将任何固体热路径设计得非常细且分离，使得在关断态大部分热量必须通过大间隙上的弱辐射传递。

快速、可靠且可调的工作特性

除了开关强度，团队还研究了装置的速度和可靠性。对结构本身的高速摄像显示，一旦达到“临界点”，两态之间的弹跳在不到十分之一秒内完成。通过缩短运动行程并调节执行器数量，他们演示了约200毫秒的双向切换，即使承载额外重量也能实现。在带有加热器和冷却板的长时段测试中，开关能自动循环开关数百次，将温度维持在预设阈值附近的狭窄区间内。改变调节绳的预拉伸或使用不同相变温度的形状记忆合金，可让设计者为不同应用选择合适的温度窗口。

实际器件与未来可能性

为了展示实用价值，作者将他们的开关安装在日常电子零件上：电池、功率放大器、发光二极管、无线芯片和直流-直流转换器。在每种情况下，折纸装置都能自动通过反复连接和断开到冷板来将组件温度维持在安全范围内——无需外部控制电子设备。由于开关行为主要由几何形状决定而非尺寸，相似设计既可放大到大型面板，也可缩小到芯片级，并可用其它响应性材料替代现有的合金丝和弹簧。两种热态类似稳定的“0”和“1”的事实也暗示了未来在热逻辑中的应用，其中热量本身可用于承载信息。

这为何重要

通俗地说，这项工作提供了一种热阀，在设定温度下能完全打开或完全关闭并保持该状态直至条件再次改变。它在此过程中几乎不浪费能量，保持状态无需供电，并在“开启冷却”和“关闭冷却”之间提供了前所未有的对比度。随着电子设备在各处变得更热且密度更高，这类被动、可编程的热开关有望保护设备、节约能量，甚至成为新型基于热的计算构件的基础。

引用: Tan, B., Lyu, J., Yang, F. et al. Bistable origami thermal switch with high switching ratios. Nat Commun 17, 3177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69956-2

关键词: 热开关, 折纸结构, 形状记忆合金, 电子散热, 双稳态力学