Когда электронное устройство перегревается, ему не нужны датчики или внешнее питание — оно «автоматически пробуждается» за счет собственного повышения температуры и мгновенно отводит тепло; когда температура падает, оно снова «засыпает», прерывая путь теплового потока. Бистабильный оригами-тепловой переключатель, разработанный командой Лю Кэ и Ян Линя из Пекинского университета, обновил мировой рекорд с коэффициентом переключения теплопроводности в 13984 раз, предлагая новую парадигму для интеллектуального теплового управления AI-чипами, высокомощных аккумуляторов и робототехнических систем.

I. «Дилемма переключателя» в тепловом управлении

С быстрым развитием искусственного интеллекта, высокомощных электронных устройств и робототехники плотность мощности ключевых компонентов продолжает расти, что делает задачу теплового управления все более серьезной. Во время работы устройства выделяют большое количество тепла, и если его невозможно эффективно рассеять, это приведет к снижению производительности или даже повреждению. Идеальное решение — реализовать динамическое, обратимое тепловое регулирование, позволяющее тепловому потоку переключаться между состояниями «включено» и «выключено» по мере необходимости.

Однако существующие технологии тепловых переключателей сталкиваются с ключевым ограничением: коэффициент теплового переключения (отношение теплопроводности в состояниях высокой и низкой теплопроводности) часто оказывается недостаточно высоким, чтобы удовлетворить потребности в точном контроле температуры в сценариях с высокой плотностью мощности. Что еще более важно, большинству тепловых переключателей требуется постоянное внешнее питание или сложная сенсорная обратная связь, что не позволяет реализовать «пассивное» интеллектуальное регулирование.

II. Научно-технические особенности: структура оригами + сплав с памятью формы, обновляющие рекорды производительности пассивных тепловых переключателей

24 февраля 2026 года исследовательская работа «Bistable Origami Thermal Switch with High Switching Ratios», выполненная совместно группой Лю Кэ и группой Ян Линя из Школы передового производства и робототехники Пекинского университета, была опубликована в журнале Nature Communications. Вдохновившись древним искусством оригами, исследовательская команда впервые предложила бистабильный оригами-тепловой переключатель, реализовав высококонтрастное тепловое регулирование без необходимости постоянного питания и датчиков.

Особенность 1: Коэффициент переключения 13984, обновление мирового рекорда

В тестах на стационарную теплопроводность в условиях высокого вакуума этот тепловой переключатель продемонстрировал впечатляющие характеристики:

Эти данные не только обновили рекорд производительности пассивных тепловых переключателей, но и значительно превзошли существующие основные технологии тепловых переключателей. Падение температуры на границе в выключенном состоянии составляет около 41,87°C, а во включенном — всего 0,189°C, что означает, что переключатель практически изолирует тепло в «выключенном» состоянии и обеспечивает беспрепятственный тепловой поток во «включенном».

Особенность 2: Пассивное срабатывание — без внешнего питания и датчиков

Ключевой механизм теплового переключателя заключается в бистабильных свойствах оригами-структуры: структура может быстро переключаться между двумя стабильными геометрическими конфигурациями, и для поддержания любого состояния не требуется постоянной энергии.

Исследовательская команда использовала комбинацию сплава с памятью формы и упругой пружины в качестве приводного механизма. Сплав с памятью формы при определенной температуре претерпевает фазовый переход, создавая деформационную силу, которая в сочетании с упругой возвратной силой пружины вызывает «скачкообразное переключение» оригами-структуры — этот процесс полностью управляется самой температурой, без необходимости внешнего питания или вмешательства датчиков.

Чистое структурное переключение может занимать менее 90 мс; после оптимизации структуры и привода можно достичь двунаправленного переключения на уровне 200 мс.

Особенность 3: Программируемое регулирование — настраиваемая температура срабатывания

Изменяя исходный геометрический дизайн оригами-структуры, команда успешно реализовала настраиваемое регулирование характеристик переключателя:

Регулировка энергетического барьера: изменение геометрических параметров, таких как длина и угол плеча оригами, для настройки энергетического барьера, необходимого для переключения структуры.

Программируемая температура срабатывания: можно установить «точку пробуждения» переключателя в широком диапазоне температур.

Циклическая стабильность: отсутствие деградации характеристик после более чем 1000 циклов.

Особенность 4: Проверка в реальных условиях — сохранение коэффициента переключения 1360 в атмосфере

Хотя коэффициент переключения 13984 в вакуумной среде наиболее впечатляет, команда специально проверила работу устройства в атмосферных условиях — коэффициент переключения 1360 все еще значительно превышает большинство заявленных тепловых переключателей, что доказывает его практическую ценность в реальных сценариях применения.

III. Техническая сущность: Как бистабильное оригами реализует «интеллектуальное тепловое управление»

Исследовательская команда подробно раскрыла рабочий механизм теплового переключателя:

Дизайн бистабильной структуры: На основе тонкого листового материала посредством точной резки и складывания создается оригами-структура с двумя стабильными геометрическими конфигурациями. В одном стабильном состоянии структура плотно контактирует с теплоотводом, обеспечивая очень низкое тепловое сопротивление (включенное состояние); в другом стабильном состоянии структура отходит от контакта, образуя вакуумный зазор с очень высоким тепловым сопротивлением (выключенное состояние).

Термоиндуцированный приводной механизм: Сплав с памятью формы при повышении температуры претерпевает мартенситное превращение, создавая силу сжатия; эта сила в сочетании с упругой возвратной силой пружины позволяет структуре преодолеть энергетический барьер и совершить скачкообразное переключение, мгновенно переходя в другое стабильное состояние.

Геометрическая программируемость: Путем проектирования начальных геометрических параметров оригами-структуры можно точно регулировать форму энергетического барьера, тем самым реализуя программируемый дизайн температуры срабатывания и коэффициента переключения.

Эта «геометрически управляемая бистабильная характеристика» обладает потенциалом масштабируемости, предоставляя новые идеи для будущего пиксельного, программируемого теплового управления, ориентированного на интеграцию на уровне чипа.

IV. Перспективы применения: От аккумуляторов до чипов, от теплового управления до тепловых вычислений

1. Высокомощные электронные устройства и AI-чипы

Исследовательская команда уже успешно продемонстрировала эффект автоматического контроля температуры теплового переключателя на таких устройствах, как аккумуляторы, усилители мощности, Bluetooth-чипы, светодиоды и DC-DC преобразователи. По мере того как плотность мощности AI-чипов продолжает расти, тепловое управление на уровне чипа станет насущной необходимостью — потенциал этой технологии для пикселизации и программирования может позволить реализовать точное тепловое регулирование горячих точек на поверхности чипа.

2. Робототехнические системы и силовые аккумуляторы

При высоких нагрузках двигатели и аккумуляторы роботов выделяют много тепла; в режиме ожидания им, наоборот, требуется сохранение тепла. «Пассивная реакция» этого теплового переключателя делает его естественно подходящим для робототехнических систем: при повышении температуры он автоматически включает охлаждение, при понижении — отключает тепловой поток, не потребляя драгоценной энергии аккумулятора.

3. Космонавтика и исследование дальнего космоса

В вакуумной среде излучение является единственным способом передачи тепла, что делает тепловое управление чрезвычайно сложным. Коэффициент переключения 13984 этого теплового переключателя в вакууме делает его идеальным кандидатом для систем теплового контроля космических аппаратов — он может отводить тепло, когда это необходимо, и практически изолировать, когда не нужно.

4. Тепловые логические схемы и тепловые вычисления

В статье особо отмечается, что бистабильная оригами-структура может служить не только устройством теплового управления, но и основой для новых архитектур вычислений, таких как тепловые логические схемы. В будущем возможно построение вычислительных систем, использующих тепло, а не электричество, в качестве носителя информации.

V. Промышленное значение: Делая тепловое управление «пассивным и интеллектуальным»

Глубокая ценность этого исследования заключается в переопределении технологической парадигмы интеллектуального теплового управления. Традиционное активное тепловое управление зависит от замкнутого контура «датчик температуры + контроллер + исполнительный механизм», что не только усложняет систему и вызывает запаздывание реакции, но и требует постоянного потребления энергии. Оригами-тепловой переключатель, разработанный командой Пекинского университета, позволяет самому устройству одновременно выступать в роли «датчика» и «исполнительного механизма», реализуя подлинный пассивный интеллект.

Как отметил один из авторов-корреспондентов статьи, исследователь Лю Кэ из Пекинского университета: «Бистабильность BOS может служить не только устройством теплового управления, но и основой для новых архитектур вычислений, таких как тепловые логические схемы; в то же время, ее геометрически управляемая бистабильная характеристика обладает потенциалом масштабируемости, предоставляя новые идеи для будущего пиксельного, программируемого теплового управления, ориентированного на интеграцию на уровне чипа».

В то время как потребности AI-чипов, силовых аккумуляторов и робототехнических систем в тепловом управлении становятся все более строгими, это инновационное решение, вдохновленное древним искусством оригами, открывает совершенно новые возможности для производства высокотехнологичного оборудования.

Источник: Школа передового производства и робототехники Пекинского университета; Авторы: Авторы-корреспонденты — исследователь Лю Кэ, исследователь Ян Линь (Пекинский университет); Первые авторы — постдок Тан Бовэнь, докторант Люй Цзюнь (Пекинский университет); Название: Bistable Origami Thermal Switch with High Switching Ratios; Опубликовано в: Nature Communications (24 февраля 2026 г.).