一种微型变胞结构及其连接单元的制造方法

技术领域

本发明涉及微型机械结构领域，特别涉及一种微型变胞结构及其连接单元的制造方法。

背景技术

微型机械结构是指特征长度在亚毫米到几十个毫米级别的机械结构，具有体积小、质量轻的特点。变胞是指采用特定方法，使机构的拓扑结构发生变化，从而使机构的运动支链的构件数目、运动副的数目或自由度发生改变或者转换。微型变胞结构是指通过变胞实现结构变形的微型机械结构。

现有技术中的变胞机械结构通常是大尺度结构（厘米级别以上），例如现有技术（Tan N, Mohan R E, Elangovan K. Scorpio: A biomimetic reconfigurable rolling-crawling robot[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2016,13(5):1-16.以及Tian, Yaobin, Zhang, et al. A reconfigurable multi-mode mobileparallel robot[J]. Mechanism and Machine Theory, 2017, 111: 39-65.）中的变胞机械结构的体积均为厘米级别。基于大尺度结构的制造技术（包括采用驱动部件、轴承、铰链等）所制造的微型机械结构在性能上将受到限制，因此很难做到微型化。随着结构尺度的微型化，表面效应的主导作用将大于牛顿力，伴随着例如驱动部件、铰链的刚度、转速等性能下降，无法满足微型机械结构的性能要求（Wood R J, Avadhanula S, Sahai R, et al.Microrobot Design Using Fiber Reinforced Composites[J]. Journal of MechanicalDesign, 2008, 130(5).）。

此外，现有变胞机械结构一般要通过线缆连接到外部装置来获得能源和控制信号，这种状态称为系留式的状态。系留式状态的变胞机械结构始终需要被线缆拖拽（BaischA T, Ozcan O, Goldberg B, et al. High speed locomotion for a quadrupedalmicrorobot[J]. International Journal of Robotics Research, 2014, 33(8):1063-1082.）。针对微创手术、修复或组装工业中小型结构或机器等任务，需要设计无需连接线缆的无系留式的微型机械结构。到目前为止，关于无系留式微型机械结构的最新且影响力最大的研究进展为2022年《科学》子刊发表的一种微型机械结构（Han M, Guo X, Chen X, etal. Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots[J]. ScienceRobotics, 2022(66):7.），该文的影响力因子高达27.54，该文采用了形状记忆合金作为串联结构的转轴的材料，实现了无系留式运动，不需要复杂的电力或液/气压进行驱动。众所周知，形状记忆合金在受到温度变化时会发生形变。该文中，为了控制微型机械结构的特定转轴产生形变，且控制其余特定转轴不产生形变，不能采取整体加热（global heating，即对微型机械结构的全部构件一起加热）的方式，必须通过对特定转轴的局部加热（localheating，即对微型机械结构的特定的部分构件进行加热）来实现（参照该文中的Fig.2以及第4页的最后一句）。采取整体加热会导致所有转轴均发生形变（参照该文中Fig.3以及对应图解：left frames illustrate 3D robots under global heating: images withfilled colors and black lines correspond to 3D geometries at room andelevated temperatures, respectively，参照该文Fig.3中的A-E图的左边第一幅图的上半图，整体加热时，微型机械结构的所有转轴均发生了形变）。由于局部加热对加热精准度有较高要求，因此需要依靠外部控制设备（例如激光扫描设备）实现精准加热（参照该文中的摘要）。综上，该文给出的技术启示是：在结合随温度产生形变的材料作为转轴的微型机械结构中，若对微型机械结构进行整体加热，则必然导致所有转轴均产生形变。若要精准控制特定转轴产生形变，且控制其余特定转轴不产生形变，只能通过精准的局部加热来实现。同时，如该文中Fig.3所示的各种明显变形情况，若要实现微型机械结构的明显变形，一般需要耗时数十秒至数百秒的较长时间。

目前，尚未发现仅仅通过整体加热，就能够实现整体协同可控，且能够实现不同变胞形态快速切换的无系留式微型机械结构。所述整体协同可控是指，通过整体加热实现控制特定转轴产生特定形变，且控制其余特定转轴不产生形变。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种微型变胞结构，仅仅依靠整体加热(global heating)实现了整体协同可控，精准控制特定转轴产生特定形变，且控制其余特定转轴不产生形变，从而实现微型变胞结构的可控的变胞过程以及不同变胞形态的快速切换。

在结合了随温度产生形变的材料的微型机械结构中，通过加热能精准控制特定转轴产生形变，同时控制其余特定转轴不产生形变，现有技术（Han M, Guo X, Chen X, etal. Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots[J]. ScienceRobotics, 2022(66):7.）给出了反向教导：局部加热只能控制特定转轴产生形变，不能控制其余特定转轴不产生形变，一旦受热，该随温度产生形变的材料必然发生形变。本申请意外的克服了现有技术的技术偏见，通过整体加热实现了控制特定转轴产生形变，且能控制其余特定转轴不产生形变，省略了现有技术实现局部加热所必需的单独的外部控制设备（例如该文中的激光扫描设备）。本发明通过随温度产生形变的材料与并联机构的整体协同作用，仅仅通过整体加热实现了快速的整体协同可控，精准控制特定转轴产生形变的同时控制其余特定转轴不产生形变，且在短时间内完成了微型变胞结构的大幅度变形。本发明提供的微型变胞结构，可用于修复或组装工业中小型结构或机器等任务。

本发明采用的技术方案如下：

一种微型变胞结构，包括并联机构，所述并联机构包括由多个互相连接的连接单元构成的平台和运动支链，所述平台包括动平台和定平台，所述连接单元包括形变部和至少两个连接部，所述形变部的第一端连接连接部中的第一连接部，所述形变部的第二端连接所述连接部中的第二连接部，通过所述微型变胞结构的整体温度的变化，使得部分或全部所述形变部产生自主形变至对应的记忆形状，所述形变部的所述第一端及所述第二端连接的两个所述连接部发生空间相对位置的改变，所述平台以及运动支链之间发生转换，即，平台转换为运动支链，运动支链转换为动平台和定平台，从而实现所述微型变胞结构的多种变胞形态的切换。

本发明利用形变部的自主形变以及并联机构的整体协同作用，将形变部作为转轴，使得微型变胞结构仅仅依靠整体温度的变化就能实现整体协同可控，即，控制特定转轴产生特定形变且控制其余特定转轴不产生形变，实现对应特定旋量的变胞过程，产生可控的变胞形态，实现不同变胞形态之间的可控切换。仅仅依靠形变部的自主形变或仅仅依靠并联机构均无法实现微型机械结构的可控变胞过程，必须通过两者的有机结合，才能仅仅依靠改变整体温度达到整体协同可控的目的，使得微型机械结构产生特定的变胞过程以及实现特定的变胞形态。本发明和上述现有技术（Han M, Guo X, Chen X, et al.Submillimeter-scale multimaterial terrestrial robots[J]. Science Robotics,2022(66):7.）中涉及的结构变形完全不同，主要包括以下区别：

为了控制微型机械机构中的特定转轴产生形变且控制其余特定转轴不产生形变，该文必须通过局部加热来实现，而实现局部加热对加热的精准度要求较高，因此该文需要依靠单独的控制设备。本发明仅仅依靠整体加热就能实现整体协同可控，即通过整体加热的方式控制特定转轴产生形变，控制其余特定转轴部产生形变，且省略了该文实现局部加热所需的单独的控制设备。

该现有技术中的微型机械结构在变形前后的拓扑结构未发生改变，整体结构的尺寸在变形前后几乎无变化（参照该文中的Fig.3）。本发明中的微型机械结构通过平台与运动支链之间的转化，即平台转化为运动支链，运动支链转化为平台，拓扑结构发生了改变，微型机械结构产生了变胞，进而实现了不同变胞形态的切换（参照本发明中的图4A-4C），在不同变胞形态切换过程中，整体结构的尺度变化高达26%，单一尺度变化高达125%。

该现有技术中的微型机械结构需要数十秒至数百秒来实现明显变形（参照该文Fig.3中各类明显的变形情况），且转轴形变的变化幅度为0-30度左右（参照该文中Fig.1.C）。本发明能实现明显变形的速度可控制在一秒内，且能够实现完全不同的变胞形态（参照本发明中的图4A-4C）的切换，本发明控制的转轴形变的变化幅度可达100度以上，且能控制其余特定转轴不产生形变。

所述改变整体温度是指微型变胞结构的整体加热(global heating)。所述并联机构包括动平台和定平台以及连接动平台和定平台的至少两条运动支链。所述自主形变指的是仅仅依靠温度变化产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，即这种形变是材料本身产生的。所述对应的记忆形状是指形变部在特定温度发生特定的形变，该特定的形变即为记忆形状。该记忆形状可通过热处理实现。所述空间相对位置的改变是指：两个连接部之间的相对位置在形变部在自主形变之后相比较于形变部在自主形变之前的相对位置的改变。优选的，这种改变是指形变部角度的改变。所述形变部角度是指与形变部连接的两个连接部的延长方向之间的夹角，所述形变部的第一端及第二端为：当连接单元作为微型变胞结构的一部分时，用来连接微型变胞结构其他部件的连接端，并不限定第一端及第二端的形状及相对位置关系。所述形变部还可以包括其他端，且连接部也不只包括两个。只要形变部的连接端与连接部能够一一对应即可。例如，可以是3个端对应3个连接部，或者4个端对应4个连接部，以此类推。

优选的，所述不同变胞形态是指初始形态、第一变胞形态、第二变胞形态。

优选的，所述微型变胞结构设有初始形态，当所述微型变胞结构的整体温度达到第一温度时，运动支链上的形变部产生自主形变，使得所述动平台绕所述定平台产生旋转运动，所述微型变胞结构实现所述初始形态和第一变胞形态的切换。

优选的，当所述微型变胞结构实现所述初始形态和第一变胞形态的切换时，所述运动支链上的形变部角度变化幅度为100度以上。

优选的，所述微型变胞结构实现所述初始形态和第一变胞形态的切换时间为2秒以内。

优选的，在所述第一变胞形态的基础上，当所述微型变胞结构的整体温度达到第二温度时，所述第二温度高于所述第一温度，所述平台和运动支链两者之间发生转换，转换后得到的运动支链上的形变部产生自主形变，使得转换后得到的动平台相对于转换后得到的定平台产生线性运动，所述微型变胞结构实现所述第一变胞形态和第二变胞形态的切换。

优选的，当所述微型变胞结构实现所述第一变胞形态和第二变胞形态的切换时，所述转换后得到的运动支链上的部分形变部角度变化幅度为100度以上。

优选的，所述微型变胞结构实现所述第一变胞形态和第二变胞形态的切换时间为0.4秒以内。

优选的，所述微型变胞结构实现从所述初始形态到第一变胞形态，再到第二变胞形态的总切换时间为0.5秒以内。

优选的，所述微型变胞结构依次经过所述第一温度和第二温度，从初始形态最终切换到第二变胞形态，实现了近90度的转向运动。

优选的，所述第一温度为45-55℃，所述第二温度为55-65℃。

优选的，所述第一连接部及所述第二连接部的延伸方向位于所述形变部在自主形变之前的同侧。

优选的，所述第一连接部及所述第二连接部的材料为碳纤维板。碳纤维板是将同一方向排列的碳素纤维使用树脂浸润硬化形成的碳纤维板，具有拉伸强度高、耐腐蚀性、抗震性、抗冲击性等良好性能，适合做微型变胞结构的机身。所述形变部的材料为随温度产生形变的材料，优选的，所述的材料为形状记忆合金。所述形状记忆合金在受到温度变化时会发生形变。形状记忆合金体系包括但不限于：Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

优选的，所述形变部为长条形状。

本发明的第二个目的是提供了一种如上所述的微型变胞结构的制造方法，包括：设定连接单元的形变部的记忆形状；利用形变部和连接部制作连接单元；将多个连接单元互相连接构成微型变胞结构的动平台、定平台以及运动支链。

优选的，所述连接单元的制造方法包括：固定形变部；嵌入所述形变部至相应图案化的所述连接部中，图案化能够方便形变部与连接部之间的连接；连接所述形变部与所述连接部；切割形成连接单元。所述形变部与所述连接部的连接可以是固定连接也可以是可拆卸连接，可以是粘接、卡接等任何已知的连接方式。

优选的，设定所述形变部的记忆形状的方法包括：将所述形变部制作为预设形状；保持所述形变部在所述预设形状，同时对所述形变部进行热处理；冷却所述形变部，所述形变部的记忆形状即为预设形状。

优选的，所述热处理温度为400-900℃。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明利用形变部的自主形变以及并联机构的整体协同作用，将形变部作为转轴，使得微型变胞结构仅仅依靠整体温度的变化就能实现整体协同可控，即，控制特定转轴产生特定形变且控制其余特定转轴不产生形变，实现对应特定旋量的变胞过程，产生可控的变胞形态，且在短时间内完成了微型变胞结构的大幅度变形，实现不同变胞形态之间的快速可控切换，切换时间可控制在一秒以内，克服了现有技术的技术偏见（即局部加热只能控制特定转轴产生形变，不能控制其余特定转轴不产生形变，一旦受热，该随温度产生形变的材料必然发生形变），省略了现有技术所需的单独的控制设备或复杂的扫描程序，比如激光扫描设备、激光扫描程序等，大大降低了控制难度。

2）本发明利用形变部的自主形变以及并联机构的整体协同作用，将形变部作为转轴，使得微型变胞结构仅仅依靠整体温度的变化就能实现整体协同可控，省略了现有技术所需的驱动部件，例如电机/舵机等，大大缩小了微型变胞结构的尺寸，成功地将微型变胞结构控制在毫米级别，扩展了具有该微型变胞结构的微型机器人的应用场景。

3）本发明利用形变部的自主形变以及并联机构的整体协同作用，将形变部作为转轴，使得微型变胞结构仅仅依靠整体温度的变化就能实现整体协同可控，省略了传统驱动所需线缆，提供了一个更方便的、适用于微型机械结构的驱动方法，实现了无系留运动，扩大了移动范围。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和有益效果变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例提供的微型变胞结构的实物图；

图2是本申请实施例提供的连接单元的结构示意图;

图3A和图3B分别是本申请实施例提供的连接单元的不同形变的示意图；

图4A、图4B和图4C是本申请实施例提供的微型变胞结构的三种变胞形态的实物图，图4D、图4E和图4F是本申请实施例提供的微型变胞结构的三种变胞形态的并联机构的等效结构图；

图5是本申请实施例提供的连接单元的制造方法的流程图；

图6是本申请实施例提供的连接单元的制造方法的示意图；

图7是本申请实施例提供的连接单元的形变部随温度自主形变的曲线图；

图8是本申请实施例提供的并联机构的等效结构图；

图9是本申请实施例提供的连接单元的形变部随温度自主形变的曲线图；

图10是本申请实施例提供的连接单元的形变部随温度自主形变的曲线图；

图11是本申请实施例提供的连接单元的形变部随温度自主形变的曲线图；

图12是本申请实施例提供的微型变胞结构的两种变胞形态的切换图；

图13是本申请实施例提供的微型变胞结构的两种变胞形态的切换图；

图14是本申请实施例提供的微型变胞结构的重构完成时间与温度的关系曲线图；

图15是本申请实施例提供的连接单元的刚度测试图；

附图标记：1-并联机构；2-支撑结构；3-连接单元；31-形变部；32-连接部；41-形状记忆合金；42-玻璃纤维片；43-碳纤维板。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本实施例提供了一种微型变胞结构，包括并联机构1，以及支撑并联机构1的四个支撑结构2。四个支撑结构2与并联机构1的底部连接，用于支撑并联机构1。并联机构1和支撑结构2均由多个互相连接的连接单元3构成。如图1所示，微型变胞结构的并联机构1为八个连接单元3连接而成的闭环，八个连接单元3分别用A、E、G、C、F、H、D、B表示。微型变胞结构的四个支撑结构2，包括四个连接单元3，分别用P1、P2、P3、P4表示。

如图2所示，连接单元3包括形变部31以及两个连接部32，形变部31的第一端连接连接部32中的第一连接部，形变部31的第二端连接连接部32中的第二连接部。形变部31随温度变化发生自主形变，使得形变部31的第一端及第二端连接的两个连接部32随着形变部31的自主形变而发生空间相对位置的改变，第一连接部及第二连接部的延伸方向位于形变部31在自主形变之前的同侧，如图3A或图3B所示。通过调控微型变胞结构的整体温度，使得并联机构1的约束条件发生变化，即动平台、定平台转化为运动支链，运动支链转化为动平台、定平台，从而实现微型变胞结构的多种变胞形态的切换。

本实施例提供的微型变胞结构包括三种变胞形态，分别是初始形态、第一变胞形态、第二变胞形态，分别如图4A-4C所示，其并联机构对应的等效结构图分别如图4D-4F所示。如图4A所示，A、E处形变部角度为180±40度，B、D、F、H处形变部角度为90±40度，C、G处形变部角度为180±40度，P1-P4处形变部角度为180±40度，本实施例将此变胞形态设为初始形态，可以看作是“小狗”拟态，用于模仿“小狗”的姿态。“小狗”的身体朝向为A、E的连线方向。如图4B所示，A、E处形变部角度为0±40度，B、D、F、H处形变部角度为90±40度，C、G处形变部角度为180±40度，P1-P4 处形变部角度为90±40度，本实施例将此变胞形态设为第一变胞形态，可以看作是“蜘蛛”拟态，用于模仿“蜘蛛”的姿态。如图4C所示，A、E处形变部角度为0±40度，B、D、F、H处形变部角度为180±40度，C、G处形变部角度为0±40度，P1-P4 处形变部角度为90±40度，本实施例将此变胞形态称为第二变胞形态，可以看作是“竹节虫”拟态，用于模仿“竹节虫”的姿态。其中，“竹节虫”的身体朝向为C、G的连线方向。因此，从初始形态切换到第二变胞形态实现了近90度的转向运动。

微型变胞结构的制造方法包括：设定连接单元3的形变部31的记忆形状；利用形变部31和连接部32制作连接单元3；将多个连接单元3互相连接构成微型变胞结构的动平台、定平台以及运动支链。本实施例中，形变部31的材料为形状记忆合金41中的镍钛合金，其中，含镍量为54%-56%，连接部32的材料为碳纤维板43。微型变胞结构的连接单元3的制造方法如图5所示，包括：通过夹具夹持形状记忆合金41；嵌入夹具和形状记忆合金41至两层图案化的碳纤维板43之间；粘结形状记忆合金41与碳纤维板43；移除夹具；切割形成连接单元3。具体的，连接单元3的制造工艺如图6所示：首先将形状记忆合金41做成长条状结构，然后用玻璃纤维片42（夹具）将其固定在两片碳纤维板43之间，由于玻璃纤维片42采用的厚度大于一片碳纤维板43（连接部32）和一片形状记忆合金41的厚度和，而且小于两片碳纤维板43和一片形状记忆合金41的厚度和，相当于形状记忆合金41是被扣进两层碳纤维板43中间的。将碳纤维板43和形状记忆合金41粘结之后，如图6(b)(c)所示，取出玻璃纤维片42部分，最后切割出连接单元3，如图6（d）所示。设定形状记忆合金41的记忆形状的方法包括：弯折形状记忆合金41至预设形状；保持形状记忆合金41在预设形状，同时加热形状记忆合金41至热处理温度400-900℃；冷却（小于45℃）形状记忆合金41之后，将形状记忆合金41弯折为初始形状，形状记忆合金41的记忆形状即为预设形状。

当形变部31的温度达到自主形变所需温度时，形变部31从初始形状自主形变为对应的记忆形状。不同形变部31发生自主形变所需温度不同，这跟形变部31的材料以及热处理温度有关（Xu H, Yong L. Effect of annealing on the transformation behaviorand superelasticity of NiTi shape memory alloy[J]. Scripta Materialia, 2001,45(2):153-160.）。因此，通过整体加热至不同的温度条件，可控制特定的形变部31产生特定的自主形变，且控制其余特定的形变部31不产生自主形变。

本实施例中，对不同连接单元3中的形变部31的形状记忆合金进行了两批处理，即C、G、F、H、D、B形变部31的形状记忆合金为一批，A、E、P1、P2、P3、P4形变部31的形状记忆合金为一批，前者的热处理温度为550℃，后者的热处理温度为500℃。热处理时间均为2小时，随后均将其冷却至室温。随后，需要将冷却后的形状记忆合金31在0℃的冰水混合物和接近100℃的开水中反复进行冷-热循环处理10次以上，使其具有稳定的记忆形状。

经过上述处理后的形状记忆合金31所构成的各连接单元3的初始形状、记忆形状及其形变部31的自主形变的温度条件如下，其中，形变部角度是指与形变部31连接的两个连接部32的延长方向之间的夹角，即图8中的θ所示（形变部31等效为图8中的转轴，连接部32等效为图8中的连杆）。由于受到工艺限制，实际形变情况与理想情况存在差距，形变部角度有大概40度的误差：

A、E的形变部31的初始形状为：形变部角度为180±40度，记忆形状为：形变部角度为0±40度，形变部31发生自主形变的温度条件为达到45-55℃；A、E的形变部的实际形变情况如图7所示。另外，考虑实物制造可行性，A、E的形变部31在实物图（图1）和其在等效结构图（图8）中有所不同，等效结构图（图8）中，A、E的形变部角度变化是从0度变为180度，而实物图中的A、E的形变部角度变化是从180±40度变为0±40度。

B、D、F、H的形变部31的初始形状为：形变部角度为90±40度，记忆形状为：形变部角度为180±40度，形变部31发生自主形变的温度条件为达到55-65℃；B、D、F、H的形变部31的实际形变情况如图9所示。

C、G的形变部31的初始形状为：形变部角度为180±40度，记忆形状为：形变部角度为0±40度，形变部31发生自主形变的温度条件为达到55-65℃；C、G的形变部31的实际形变情况如图10所示。

P1、P2、P3、P4的形变部31的初始形状为：形变部角度为180±40度，记忆形状为：形变部角度为90±40度，形变部31发生自主形变的温度条件为达到45-55℃；P1、P2、P3、P4的形变部31实际形变情况如图11所示。

本实施例中，通过将微型变胞结构置于热水中，控制热水的温度实现对微型变胞结构的整体加热。另外，还可以通过淋热水、烘热风等方式来对微型变胞结构进行整体加热。下面将结合旋量计算来说明微型变胞结构实现不同变胞形态的切换过程的机械原理。本实施例的微型变胞结构的并联机构1的等效结构图如图8所示，为八个转轴通过八个连杆连接而成。并联机构1中的形变部31等效为图8中的转轴，连接部32等效为图8中的连杆。

变胞过程一：从初始的初始形态切换至第一变胞形态。

如图12所示，当微型变胞结构的温度上升达到45-55℃时，A、E的形变部31从初始形状（形变部角度为180±40度）发生自主形变，形变为对应的记忆形状（形变部角度为0±40度）；P1、P2、P3、P4的形变部31从初始形状（形变部角度为180±40度）发生自主形变，形变为对应的记忆形状（90±40度）；与此同时，C、G、F、H、D、B的形变部31不发生自主形变，微型变胞结构从初始形态切换至第一变胞形态，切换时间为2秒。

从初始的初始形态切换至第一变胞形态，其对应的旋量计算过程如下：

如图8所示，该变胞过程中，动平台为BCD，定平台为FGH，第一运动支链为HAB，第二运动支链为FED。A处的第一转轴和E处的第二转轴与x轴平行。F、G、H处的第三至第五转轴互相平行且设在定平台FGH上，D、C、B处的第六至第八转轴互相平行且设在动平台BCD上，第三至第八转轴均与第一转轴垂直。在本实施例中的第一运动支链和第二运动支链组成的的运动旋量系S

其中，

并联机构1的约束旋量系S

其中，S

动平台的运动旋量系S

由此得到，当运动支链上的A处的第一转轴和E处的第二转轴的运动同步时，动平台BCD相对于定平台FGH发生绕x轴的旋转运动，对应的，微型变胞结构实现了从初始形态到第一变胞形态之间的切换，如图12所示。

变胞过程二：从第一变胞形态切换至第二变胞形态。

如图13所示，在变胞过程一的基础上，当温度继续上升达到55-65℃时，C、G的形变部31从初始形状（形变部角度为180±40度）发生自主形变，形变为对应的记忆形状（形变部角度为0±40度）；B、D、F、H的形变部31发生从初始形状（形变部角度为90±40度）发生自主形变，形变为对应的记忆形状（形变部角度为180±40度）；与此同时，A、E、P1、P2、P3、P4的形变部31停止了自主形变（保持在记忆形状）；微型变胞结构从第一变胞形态切换至第二变胞形态，切换时间为0.4秒。

微型变胞结构从第一变胞形态切换至第二变胞形态，其对应的旋量计算过程如下：

如图8所示，该变胞过程中，动平台为DEF，定平台为HAB，连接动平台和定平台的第一运动支链为DCB，第二运动支链为FGH（可见，和变胞过程一相比，平台和运动支链两者之间发生了转化）。

其中，A处的第一转轴在定平台上，与x轴平行；E处的第二转轴在动平台上，和第一转轴平行且通过第一运动支链和第二运动支链连接；第三至第五转轴互相平行且与第一转轴垂直，均设在第一运动支链上；第三转轴与第一转轴通过连杆连接，连杆长度为r；第四转轴分别与第三转轴、第五转轴通过连杆连接，连杆长度均为l；第五转轴与第二转轴通过连杆连接，连杆长度为r；第六至第八转轴互相平行且与第一转轴垂直，均设在第二运动支链上；第六转轴与第一转轴通过连杆连接，连杆长度为r；第七转轴分别与第六转轴、第八转轴通过连杆连接，连杆长度均为l；第八转轴与第二转轴通过连杆连接，连杆长度为r。

第一运动支链和第二运动支链组成的运动旋量系S

其中，S

并联机构1的约束旋量系S

其中，S

动平台的运动旋量系S

由此得到，当运动支链上的F、G、H处的第三至第五转轴分别与D、C、B处的第六至第八转轴的运动同步时，动平台DEF相对于定平台HAB发生沿x轴的线性运动，对应的，微型变胞结构实现了从第一变胞形态到第二变胞形态之间的切换，如图13所示。

变胞过程三：从初始形态切换到第一变胞形态再到第二变胞形态。

如图14所示，为微型变胞结构的重构完成时间（从初始形态切换至第一变胞形态再到第二变胞形态所需要的总时间）与温度的关系曲线，可见，温度越高，重构完成时间越快。当微型变胞结构的温度为55-65℃的情况下，从初始形态切换至第一变胞形态再到第二变胞形态，重构完成时间仅为0.5秒，初始形态的身体朝向（可看作A、E处转轴连线方向）和第二变胞形态的身体朝向（可看作C、G处转轴连线方向）相差90度，因此本实施例仅仅通过0.5秒即可实现微型变胞结构近90度的转向运动。

在初始形态下，微型变胞结构的长宽高分别可以达到42mm，20mm及40mm；在第一变胞形态下，微型变胞结构的长宽高分别可以达到45mm，45mm及20mm；在第二变胞形态下，微型变胞结构的长宽高分别可以达到50mm，30mm及20mm，成功地将微型变胞结构控制在毫米级别。在微型变胞结构变胞的过程中，整体结构的尺度变化高达26%，单一尺度变化高达125%。

图15为连接单元3的刚度测试图，其中，在微型变胞结构的温度达到45-80℃时，连接单元3的刚度测试曲线为图15中实线（Test2）所示，冷却后，即微型变胞结构的温度小于45℃时，连接单元3的刚度测试曲线为图15中虚线（Test1）所示。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。