一張“折紙”攻克電子設備高溫難題

來源：光明日報

記者：晉浩天

手機越用越燙、電腦風扇狂轉……這些困擾現代人的日常煩惱，背后都指向同一個難題：高功率電子器件的散熱。當芯片越做越小、功率越來越高，如何把熱量精準“送出去”，又不讓這些熱量“偷跑”回來，成了熱管理領域的“老大難”問題。日前，記者從北京大學獲悉，北京大學先進制造與機器人學院劉珂課題組與楊林課題組合作，從折紙藝術中獲得靈感，給出了一個意想不到的解決方案：通過雙穩態折紙熱開關，成功實現了無需外部輸入的電子器件智能溫度控制，相關指標刷新世界紀錄。

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劉珂介紹，這項名為“雙穩態折紙熱開關”的研究，核心是一張會“變魔術”的折紙。研究團隊設計了一種特殊的折紙結構，輕輕一按，結構就會翻轉到另一個形態。這個看似簡單的動作，卻能精準控制熱量流向：當折紙處于“開”的形態時，它把發熱器件和散熱部件緊緊壓在一起，熱量順暢地流走，仿佛給設備打開了散熱窗；切換到“關”的形態時，它又把兩者輕輕分開，中間隔著一道真空般的縫隙，熱量幾乎無法傳遞，就像關上了窗戶把冷空氣擋在屋外。

“這種設計，效果驚人。”楊林說，在真空環境下的測試中，“關”狀態下的界面溫差高達41.87攝氏度，導熱能力被壓縮到極低；而“開”狀態下的溫差僅0.19攝氏度，導熱能力飆升到前者的近一萬四千倍。“開關比”指標達到13984，刷新了被動式熱開關的世界紀錄。更難得的是，即便在空氣對流環境中，“開關比”依然能保持1360，這意味著它不挑環境，從實驗室到現實場景都能穩定工作。

研究團隊給這個折紙結構配上了一位“溫度管家”——由鎳鈦形狀記憶合金和彈性扭簧組成的“熱致驅動器”。這種組合“記性好”，溫度升高到設定值時，它會自動變形，推動折紙結構翻轉；溫度降下來后，它又恢復原狀，把折紙拉回來。通過一個機械調節器，還能精確設定觸發溫度。整個過程無需任何外部電源和傳感器電路，完全靠溫度自己說了算。

劉珂表示，速度快也是這項技術的一大亮點——純結構翻轉不到0.09秒，配合驅動優化后，來回切換都可在0.2秒內完成。研究團隊已在電池、功率放大器、藍牙芯片、LED燈等多種設備上完成了驗證，這些器件在運行中能根據自身溫度自動開關，把溫度牢牢控制在理想區間內。

“這項研究的價值不止于散熱。雙穩態折紙結構的特性，讓它天然具備‘記憶’能力——不需要持續供電就能記住自己處在什么狀態——這種特性為熱邏輯電路等新型熱計算架構提供了可能，未來的計算機或許不僅能用電做運算，還能用熱量傳遞信息。同時，這種幾何結構主導的設計具有良好的可縮放性，我們正在將其從厘米級縮小到芯片級，為未來面向芯片級集成的像素化、可編程熱管理提供了新思路與方法。”劉珂說。