A library of reversible elastomer-fluid transition materials and their magnetic equipment library

Abstract

A library of reversible elastomer-fluid transition materials and their magnetic equipment library are provided. The materials are configured to operate reversible elastomer-fluid phase changes. Adjusting proportions of additives allows the material to be further classified into different families. By applying the material, a magnetic equipment library is provided, including a magnetic shape memory soft actuator, soft crawler, multi-stable foldable soft robots, self-dividable and self-reconfigurable magnetic continuum robots, direct material printer, a system capable of changing between multiple configurations, and an elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools for submucosal dissections. The system, capable of changing between multiple configurations, allows a device or mechanism to achieve different functions and is especially useful for applications in confined spaces where environment is complicated. Overall, the reconfiguration of the interface allows transition between flexibility and compliance to achieve more configurations and structural rigidity to exert and couple forces in a controllable manner.

Description

A LIBRARY OF REVERSIBLE ELASTOMER-FLUID TRANSITION MATERIALS AND THEIR MAGNETIC EQUIPMENT LIBRARY

[0001] CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATION

[0002] This application claims the benefit of U.S. Provisional Application Serial No. 63 / 621,393, filed January 16, 2024, which is hereby incorporated by reference in its entirety including any tables, figures, or drawings.BACKGROUND OF THE INVENTION

[0003] Magnetic smart soft materials have become a hot research topic in the soft robotics (device) field in recent years because of their advantages, such as high flexibility, lightweight, accurate response, and wireless control. Magnetic smart soft materials mainly refer to silica-based magnetic materials, that is, soft materials that are mixed with magnetic powder before silicone rubber curing and have a polar response after magnetization by a high-intensity magnetic field, and such materials can accurately respond to an external driving magnetic field to produce controllable elastic deformation. By applying such silica-based magnetic materials, researchers have successfully developed crawling soft robots, rolling robots, jumping robots, and magnetic guide wires for biomedical engineering scenarios based on magnetic response. On the other hand, a few magnetic smart soft materials refer to magnetically responsive powder-based liquid metals and magnetic non-Newtonian fluids. This class of materials, also known as magnetic phase change materials, can achieve reversible phase transitions in solid and fluid states. For example, based on the magnetic response, powder-based liquid metal is solid at less than about 40 degrees Celsius, has an elastic modulus of up to 2-3 GPa, and can carry out controlled movement, rotation, and jumping motion under the control of an external driving magnetic field. When fluid is at temperatures greater than 40 degrees Celsius, it can flow under the control of an external actuation magnetic field. However, the problem of the flexibility of this kind of magnetic phase change materials in the solid state needs to be solved urgently. Reversible solid-fluid phase transformation is an effective means to improve the flexibility of the body greatly. However, the high stiffness in the solid state greatly limits the flexibility of the body. Hence, in recent years, presenting a magnetic material with a reversible phase change involving a more adaptable elastomer-fluid composition has emerged as a challenging issue within the industry.

[0004] Thermoplastic material is a kind of material that can undergo multiple thermal deformations. In its many categories, there is a class of thermoplastic materials that have elasticity in the solid state and high fluidity in the fluid state, and this class of materials just meets the basic needs of elastomeric and fluid reversible phase change magnetic materials. Mixing such thermoplastic materials with magnetic powders has the potential to realize reversible elastomer-fluid phase change magnetic materials. For the remote excitation of the elastomeric fluid phase transition, radio-frequency magnetic induction coils can be used for heating. When radio-frequency magnetic induction heating is applied, the magnetic powder particles mixed in the thermoplastic material will generate Joule heat and hysteresis heat, which will melt into a fluid state when the heat diffuses into the thermoplastic material. At this time, the flow behavior in the fluid state can be realized by applying the background driving magnetic field. When radio-frequency magnetic induction heating is turned off, the material cools and solidifies as heat is dissipated to the environment. The present disclosure describes elastomer-fluid reversible phase change materials and their operation. Additionally, the disclosed embodiments demonstrate that this library of elastomeric fluid reversible phase change materials can be fabricated using magnetic equipment with reversible phase change capabilities. Notably, the mentioned equipment exhibits favorable flexibility in the solid state, and its flexibility and motion capability are further enhanced upon the transition of the elastomer-fluid phase into the liquid state.

[0005] Relative to the prior art, the elastomer-fluid reversible phase change material offers several advantages. Firstly, the elastic state of the material demonstrates exceptional elasticity and the capacity for significant recoverable deformation. Secondly, the transition between the elastomer and fluid states is characterized by a remarkably high and reversible conversion rate. Thirdly, the fluid state exhibits favorable fluidity. Notably, the proposed elastomer-fluid reversible phase change materials possess the ability to form a material library through adjustments in their constituent components, distinguishing them from other phase change materials. In the context of magnetic devices constructed from such materials, they exhibit commendable flexibility in the solid state, rapid state transition capabilities during the transition state, and favorable fluidity in the fluid state.

[0006] The reconfigurable and deployable mechanisms within the proposed magnetic equipment have garnered significant attention within the field of robotics, particularly in applications that necessitate the execution of multifunctional tasks within confined spaces. This technology finds notable relevance in domains such as the surgical environment, where intricate physical access is often encountered, as well as in outer space, disaster scenarios, confined assembly inspections, and similar environments.

[0007] One of the primary advantages offered by reconfigurable robots is their expanded workspace, enabling the execution of more complex and diverse tasks. This parallel can be drawn to amplifiers that possess a larger gain-bandwidth product, as they exhibit greater adaptability compared to those with a smaller gain-bandwidth product. The present disclosure introduces reconfigurations at the interface between the actuator structure and the structure itself, wherein the actuator possesses phase change and magnetic properties, while the structure exhibits origami foldable and constraint coupling properties. The reconfiguration between these interfaces expands the potential configuration space for the structures and enhances control, facilitating the accomplishment of a broader range of tasks within confined spaces.

[0008] Confined spaces, such as narrow passageways, impose spatial constraints during transportation to the task space, thereby limiting the size and shape of the mechanisms. Confined tasks often entail multiple conflicting and specific requirements, and the limited access and resources within a confined environment necessitate novel approaches, precluding the simple combination of two design solutions. One potential solution for structures operating within confined spaces is hyper-redundancy, which accommodates the significant variations within the task space. However, this approach entails complex control due to the under-actuation of the extensive underlying workspace.

[0009] The challenges associated with complex control pose significant obstacles to the resilience of task performance, particularly in the context of space, loading, and environmental uncertainties. To address and balance these challenges, adaptable and reconfigurable designs are desirable. Compliant structures, such as origami-based designs, strike a balance between the properties of rigid and flexible components, offering both flexibility and load-bearing capabilities. Incorporating origami design principles improves loading, control, and precision, resulting in structures that exhibit enhanced dexterity and functionality. While origami structures can be intelligently programmed to respond, functional motion and reconfiguration require actuation. In this disclosure, a reconfigurable actuator belonging to the class of magnetically interactable phase change materials, which can be actuated by magnetic fields while exhibiting temperature-dependent material stiffness, is introduced.

[0010] One important consideration is the trade-off between fluidity and variable stiffness. Fluidity enables a significantly higher strain and shear range, allowing for a greater degree of actuator-structure interface reconfiguration and enabling independent action by the actuator. Reconfigurability at the interface is characterized by the actuator's ability to modify the constraints and interactions of the structure. For this purpose, both the actuator and the structure need to possess a certain degree of reconfigurability. The desired property for the actuator is a phase change between elastic and fluid states. In the fluid state, the actuator can undergo large deformations, facilitating reconfiguration and adaptation. In the elastomeric state, the function of the actuator can range from a flexural hinge to a load-bearing member, depending on the relative stiffness of the materials used in the actuator and structure. The discrete and foldable nature of the structure enhances overall functionality by mitigating the control challenges associated with phase change materials and enabling improved dexterity and precision through structural coupling.

[0011] Traditionally, devices have their structures and actuators pre-assembled. However, this disclosure suggests that the interface between the actuator and structure does not need to be predetermined. By introducing reconfigurability at the actuator-structure interface, a new paradigm emerges for robots and structures to address challenges in confined spaces. In addition to directly activating the underlying workspace, inhibiting constraints provides an alternative approach to expanding the workspace. Through the reconfigurability of this interface, the constraints can be designed as mechanical switches to switch between different configurations reversibly.

[0012] In certain cases, the structure may need to undergo prior assembly or construction before its intended functions can be realized. However, by decoupling the actuator-structure interface, the actuator gains the ability to directly induce structural changes in the structure, thereby altering its mechanical response. This decoupling enables a more dynamic interaction between the actuator and the structure, allowing for real-time adjustments and modifications that can adapt the behavior and functionality of the structure as needed. By empowering the actuator with the capability to directly influence the structural characteristics, the overall system becomes more versatile and responsive to changing requirements and environmental conditions.

[0013] BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION

[0014] There continues to be a need in the art for improved designs and techniques for magnetic smart soft materials.

[0015] According to an embodiment of the subject invention, a library of reversible elastomer-fluid transition materials and their magnetic equipment library are provided, comprising: elastomer-fluid transition magnetic materials; a magnetic shape memory soft actuator; a soft crawler; multi-stable foldable soft robots; a self-dividable and self-reconfigurable continuums robot; a direct material printer; a system capable of changing between multiple configurations; and elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools for submucosal dissections. The elastomer-fluid transition magnetic materials are thermally mixed by biocompatible thermoplastic materials, nano-scaled neodymium magnetic particles, nano-scaled magnetite particles, wax, and graphene. Mass fractions of the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, the nano-scaled magnetite particles, the wax, and the graphene) are adjustable such that the elastomer-fluid transition magnetic materials are further classified into a phase-change-oriented family, a deformation-oriented family, a response-oriented family, and a flow-oriented family. The phase-change-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled magnetite particles, the deformation-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled neodymium magnetic particles, the response-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled magnetite particles, and the graphene, the flow-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, and the wax. The magnetic shape memory soft actuator comprises a soft shell, the phase-change-oriented family, and the deformation-oriented family, wherein the phase-change-oriented family and the deformation-oriented family are installed at an end and a middle portion of the soft shell, respectively. The soft crawler comprises a head, a body, and a tail, which are all made of elastomer-fluid transition magnetic materials. The multi-stable foldable soft robots comprise a deformation-oriented wing, a response-oriented wing, and a crease. The self-dividable and self-reconfigurable continuums robot comprises responsive continuums, non-responsive body, self-dividable and self-reconfigurable connections, which are made of the response-oriented family, pure biocompatible thermoplastics, and the phase-change-oriented family, respectively, and multiple pieces of the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot are assembled into a magnetic grasper, which comprises a tip, a responsive stem, and a non-responsive root. The direct material printer comprises a responsive-material nozzle, a connection nozzle, a non-responsive-material nozzle, a cooler fan, a scraper, a permanent magnet base, and a flexible mold, wherein the direct material printer is directly applied to print the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot, wherein before its curing, the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot is in a softened state of uncured-continuums. The system capable of changing between multiple configurations comprises an actuation source, a mechanical structure, and an interface between the actuation source and the mechanical structure, wherein configuration is defined as different physical arrangements of a structure and its associated deformation or transformation from that particular arrangement, the actuation source is the actuation source that generates mechanical motion and deformation in response to an externally applied electromagnetic field, the actuation source exhibits elastomer-fluid transition magnetic materials, allowing a change in the mechanical response of the actuator, the actuation source is capable of attaching to structural surfaces and is capable of reversible attachment and detachment with itself, the mechanical structure is a mechanical structure comprises discrete joints, flexural hinges, rigid members to allow force transfer and controlled structural deformations, the different components inside the structure are configured to be actuated independently or in a coupled manner, the structure includes an assembly of multiple separate components or parts where different functions are optimized, depending on the assembled state of the structure. The interface couples the actuation source and the mechanical structure, which has different characteristics depending on the constraints or couplings between the actuation source and the mechanical structure and on the properties of the actuation source and the mechanical structure. The magnetic responsive elements in the actuation source are soft magnetic particles or hard magnetic particles, wherein bulk material of the actuation source has thermoplastic properties that allow phase change, and wherein mechanical stiffness, transition properties, or viscosity is tuned via the bulk material composition, and wherein functional groups of polymers confer tunable adhesiveness properties to surfaces of the actuation source and the mechanical structure. The electromagnetic field is configured to generate wireless radio-frequency heating in the soft magnetic components, which induce a temperature-dependent phase change in the bulk material. Changes to orientation or position from the applied electromagnetic field depend on the geometry and constraints of the actuation source, wherein the geometry of the actuation source is configured to be shaped by the applied electromagnetic fields, interaction with the environment, or with a casting mold. Magnetization profile of the actuation source is reprogrammable with radiofrequency heating and subsequent remagnetization, or with phase-change geometrical reorientation of the actuation source under an applied electromagnetic field. The mechanical structure comprises flexural hinges and planar facet constraints, allowing origami-like actuation properties including any of multi-stability, flat foldability, constraint coupling, and component alignment. Depending on configuration state of the mechanical structure, the actuation from the actuation source is configured to be constrained to different functions including any of reconfiguration, actuation, or locomotion, wherein the configuration states allowed in the mechanical structure are dependent on the attachment location of the actuation source or other forms of actuators, wherein the selection of different actuation sequences in space and in time modulates the allowable configuration states of the mechanical structure. The mechanical composition of constraints and joints in the mechanical structure imparts a programmed mechanical response to forces from the actuators or environment, wherein the programmed mechanical response is a type of embodied physical intelligence, inherent to the mechanical structure, which is elevated with the actuation from the actuation source to induce, remove, or change constraints in the mechanical structure. The interactions between the actuation source and the mechanical structure are reconfigurable in that the attachment site of the actuation source to the mechanical structure is predetermined and is changeable, due to the fluidic phase-change and adhesion properties from the actuation source and the mechanical programmability and constraint coupling from the mechanical structure. The elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools comprise a thermal ablation unit and an electrosurgical unit, wherein the thermal ablation unit has a meltable tip and a non-responsive body, and the electrosurgical unit has a responsive supporting continuum and an electrosurgical unit.

[0016] According to certain embodiment of the subject invention, a method of fabricating a reconfigurable system is provided, comprising at least one the reconfigurable interface between at least one actuation source and at least one mechanical structure. The at least one actuation source is fabricated by a one-pot method wherein different component materials are homogenized under controlled temperatures to create the actuation material with the required properties. The mechanical structure is configured by varying the stiffness with mechanical cut, mechanical scoring, laser cutting, laser scoring, polymer cured hardeners, attachable flexible components, attachable rigid components, or a combination with other existing tooling methods. The reconfigurable interface allows the assembly of the final structure to occur at a desired location, which is distant and different from the fabrication location, wherein the attachment of at least one actuation source and at least one mechanical structure is done at the fabrication location and subsequently reconfiguration at the desired location.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0017] FIG. 1 shows a library of reversible elastomer-fluid transition materials and their magnetic equipment library, according to an embodiment of the subject invention.

[0018] FIG. 2 shows a structure and function diagram of the magnetic shape memory soft actuator, according to an embodiment of the subject invention.

[0019] FIG. 3 shows a structure and function diagram of the soft crawler, according to an embodiment of the subject invention.

[0020] FIG. 4 shows a schematic diagram of a multi-stable foldable soft robot, according to an embodiment of the subject invention.

[0021] FIG. 5 shows the self-dividable and self-reconfigurable magnetic continuum robots, according to an embodiment of the subject invention.

[0022] FIG. 6 shows the direct material printer, according to an embodiment of the subject invention.

[0023] FIG. 7 shows reconfiguration at the interface between actuators and the structures. Where the actuator exhibits phase change and the structure is foldable like origami, according to an embodiment of the subject invention.

[0024] FIG. 8 shows the concept of attach and actuate, wherein the actuator can locomote and reorientate relative to the structure, the actuator is capable of using phase change to change configuration, and the actuator can transfer the forces to actuate the structure, according to an embodiment of the subject invention.

[0025] FIG. 9 shows physical representation of the attach and actuate concept, wherein a Sarrus and Remote Center of Motion origami structure is demonstrated with the phase change actuator, according to an embodiment of the subject invention.

[0026] FIG. 10 shows different functionalities from attach and actuate and additional inclusion of assembly concept into attach and actuate, according to an embodiment of the subject invention.

[0027] FIG. 11 shows transient constraint release at the actuator-structure interface to increase the range of motion for different functions, wherein on-demand kirigami cuts to a twisted tower origami structure, according to an embodiment of the subject invention.

[0028] FIG. 12 shows transient constraint release at the actuator-structure interface to increase the range of motion for different functions and on-demand constraint release of an origami parallelogram to increase the range of motion for obstacle avoidance, according to an embodiment of the subject invention.

[0029] FIG. 13 shows reconfigurable hinge stiffness and constraints to allow a reconfiguration in a 2 rotational hinge origami structure and changing configurations between a straight line and an “L” shape in a confined environment, according to an embodiment of the subject invention.

[0030] FIG. 14 shows that different functions can benefit from the reconfiguration at the hinges via the phase change and actuation, and navigating past obstacles, reaching different configuration states for different functions and protecting and deploying functional surfaces such as micro needles, according to an embodiment of the subject invention.

[0031] FIG. 15 shows the elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools for submucosal dissections, according to an embodiment of the subject invention.

[0032] DETAILED DISCLOSURE OF THE INVENTION

[0033] Embodiments of the subject invention pertain to a library of reversible elastomer-fluid transition materials and their magnetic equipment library.

[0034] The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. As used herein, the term “and / or” includes any and all combinations of one or more of the associated listed items. As used herein, the singular forms “a, ” “an, ” and “the” are intended to include the plural forms as well as the singular forms, unless the context clearly indicates otherwise. It will be further understood that the terms “comprises” and / or “comprising, ” when used in this specification, specify the presence of stated features, steps, operations, elements, and / or components, but do not preclude the presence or addition of one or more other features, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.

[0035] Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one having ordinary skill in the art to which this invention pertains. It will be further understood that terms, such as those defined in commonly used dictionaries, should be interpreted as having a meaning that is consistent with their meaning in the context of the relevant art and the present disclosure and will not be interpreted in an idealized or overly formal sense unless expressly so defined herein.

[0036] When the term “about” is used herein, in conjunction with a numerical value, it is understood that the value can be in a range of 90%of the value to 110%of the value, i.e. the value can be + / -10%of the stated value. For example, “about 1 kg” means from 0.90 kg to 1.1 kg.

[0037] In describing the invention, it will be understood that a number of techniques and steps are disclosed. Each of these has individual benefits and each can also be used in conjunction with one or more, or in some cases all, of the other disclosed techniques. Accordingly, for the sake of clarity, this description will refrain from repeating every possible combination of the individual steps in an unnecessary fashion. Nevertheless, the specification and claims should be read with the understanding that such combinations are entirely within the scope of the invention and the claims.

[0038] Detailed Implementation

[0039] To emphasize the features and benefits of the present invention, specific embodiments will be described herein with reference to the accompanying figures. It should be understood, however, that the present invention is not limited to the particular embodiments disclosed herein and can be implemented in various other combinations and configurations different from those described. Therefore, the scope of the present invention encompasses all such alternative implementations and configurations.

[0040] Figures 1 and 2 show the operation process of the magnetic shape memory soft actuator 2. A phase-change-oriented family 106 is arranged in the center of the inner part of the soft shell 201, and a deformation-oriented family 107 is arranged at both ends of the inner part. The phase-change-oriented family 106 and the deformation-oriented family 107 have the same axial magnetization direction. When one end of the magnetic shape memory soft actuator 2 is fixed and constrained, the external driving magnetic field is applied, and the unconstrained end will bend in response to the external magnetic field, thereby realizing the bending function of the magnetic shape memory soft actuator 2. Further, in this state, a radio-frequency induced magnetic field is applied to the deformation-oriented family 107 located in the inner center of the soft shell 201, and the phase change from elastomer to liquid occurs under the combined action of Joule heat and hysteresis heat effects. When the radio-frequency-induced magnetic field is canceled, the heat dissipation in the local area causes the deformation-oriented family 107 to solidify again. Remembering the curved shape at the moment, the shape memory function of 2 can be realized.

[0041] Figure 3 shows the running process of the soft crawler 3. In the elastomer state, soft crawler 3 has a certain curvature in its initial state and will roll forward, driven by the external magnetic field. When the external magnetic field is canceled, soft crawler 3 will restore the curvature and crawl forward. When a narrow gap needs to pass through, a radio-frequency induction magnetic field is applied to soft crawler 3, which will undergo a phase transition from the elastomer to the fluid under the combined action of Joule heat and hysteresis heat effects. Then, a rotating magnetic field is applied to the soft crawler 3 in the fluid state, and the liquid will generate flow behaviors to pass through the narrow gap. Further, the liquid can be cured by the uneven terrain surface to replicate the shape of the terrain, again creating a new curvature for crawling motion.

[0042] Figure 4 shows the operation process of a foldable multi-stable soft robot 4. The foldable multi-stable soft robot 4 can be operated in three distinct modes: motion, transport, and output. The motion mode is depicted in the upper right section of FIG. 4. In this mode, the foldable multi-stable soft robot 4 maintains a small contact area with the ground, facilitating movement with minimal resistance. The transport mode is demonstrated in the lower left portion of Figure 4, wherein the foldable multi-stable soft robot 4 can carry heavier objects due to a larger contact area. The output mode is presented in the lower right section of Figure 4. This mode serves as an intermediate mode between the motion and transport modes, allowing for a certain output capacity while minimizing motion resistance or enabling interaction with external objects.

[0043] Figure 5 shows the operation process of the self-dividable and self-reconfigurable magnetic continuum robots 5. Like other millimeter-scaled magnetic continuums, robots 5 can perform flexible bending motions due to the satisfactory stiffness of the responsive continuum 501. The unique advantages over the other robots include self-division and self-reconfiguration functions performed by the self-dividable and self-reconfigurable connections 503. To operate the self-division function, an RF field can be applied to connections 503, when the temperature reaches about 40-50 degrees Celsius, the connections 503 will be significantly softened and divided into two pieces by simply applying mechanical forces, such as stretching or twisting.

[0044] Figure 6 shows the operation process of the direct material printer 6. The direct material printer 6 comprises three functional regions: a nozzle region including a responsive-material nozzle 601, a connection nozzle 602, and a non-responsive-material nozzle 603; a postprocessing region including a cooler fan 604 and a scraper 605; and a base region including a permanent magnet base 607 and a flexible mold 608. The printer can be actuated by the commercially available screws and motors. When the printer tip stably moves, the responsive-material nozzle 601, the connection nozzle 602, and the non-responsive-material nozzle 603 are selected to open according to the printing needs. Normally, a complete continuum at least comprises the responsive continuum 501, the non-responsive body 502, and the connections 503. Therefore, the responsive-material nozzle 601, the connection nozzle 602, and the non-responsive-material nozzle 603 should be opened to print the material in 608, respectively. The function of 607 is to attract the softened continuums 608 downwardly to squeeze the tiny bubbles hidden inside the liquids. After about 5 minutes of curing, the continuums can be demolded and magnetized for their normal uses.

[0045] Figure 7 shows the embodiments of the subject invention. The reconfiguration is embodied by three main concepts. The actuator 701 is a combination of multiple characteristics. When there is a temperature change, elastomer-fluid transition magnetic materials 1 can shift into a different phase 702, which has fluidlike properties and increased compliance and adhesiveness. The reconfigurable actuator is used in conjunction with an origami structure 703. The origami structure is defined by the effective crease pattern design, a combination of facets and hinges allowing certain bulk structural properties, such as constraint coupling. When the two components combine and interact with each other at interface 704, the reconfiguration properties can be achieved. The actuator can impart motion and forces onto the structure, and the structure can impart motion constraints to the actuator to modify the actuator's behaviors.

[0046] Figure 8 highlights the first capability of the reconfigurable interface, the ability of the actuator 801 to attach and actuate a structure 802. In the actuator 801, the actuator takes the form suitable for locomotion, such that it can find the correct orientation about the structure 802. Upon reaching the correct location and orientation, the actuator can undergo phase change 803 to deform and change its configuration to match 802. In the new configuration 804, it is integrated with 802 such that the actuation force from 804 is also transferred and coupled to 802. Across the actuation process, the same electromagnetic field generator source can be used for the actuation and the radio-frequency heating. The different possible attachment configurations of 804 to 802 and the different modes of 604 allow a large space of reconfigurability between 802 and 804.

[0047] Figure 9 shows the physical embodiment of the attach and actuate principle for reconfigurations at the actuator structure interface. The actuators 901 are interfaced with the origami structure 902. External electromagnetic fields control 901 reaches the target location 903. The elastomer-fluid transition magnetic materials 1 can be induced to undergo phase change 904 to adhere and conform to the desired target structure. This location allows the translational motions of actuators 901 to couple with the rotational motions in the origami structure 902. Specific to this embodiment of the origami structure 902, the Sarrus structure is rectified, and the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 undergoes a second phase change to anchor and attach the Sarrus configuration 905. With the Sarrus structure rectified, the hidden Remote Center of Motion (RCM) can then be attached to and actuated 906. Depending on the actuation needs, both attachment sites 907 and 908 for the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 can be used to drive the end effector tip 909.

[0048] Figure 10 shows the potential applications and extensions of the attach and actuate principle. The Sarrus-RCM structure 1001 can be reconfigured from the constituent actuators and structures to dexterously interact with object 1002 on-demand and under constraints from a confined environment. Depending on the type of structure, a different embodiment 1003 could be such that an assembly is first performed to construct the functional structure before performing its task. 1003 demonstrates the case where an aerofoil shaped elastomer-fluid transition magnetic materials 1 imparts rotational motion to fold and construct the origami assembly, as part of the attach and actuate paradigm. Upon completing assembly 1004, the new function can be achieved, which, in this case, for the origami wheel, is a rolling motion, where the translation forces of the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 are coupled for rotational locomotion. This highlights a case of reconfiguring the actuator and structure interface to achieve new constructions and functions.

[0049] Figure 11 illustrates a different embodiment of the reconfigurations at the actuator structure interface. The phase change properties of the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 enable it to function as an additional constraint 1104, which can couple with the structural constraints of the origami mechanism 1102. The transient release of constraints acts like on-demand kirigami cuts 1103, which can enable new functions. The actuation of the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 could also be coupled with other actuation sources, such as a simple permanent magnet 1101. The overall expression of such a reconfigurable interface allows the structure to function with a predetermined range of 1105 until the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 is removed, and the range of motions can be extended 1106. This highlights the ability of transient constraint release to reconfigure structures at the actuator structure interface.

[0050] Figure 12 demonstrates the transient constraint release in a different structural configuration 1201 that is a rotating parallelogram which has a predetermined range of motion. The constraint 1202 inhibits internal deformation during actuation, which limits the range of motion, but is better at force coupling and load-bearing tasks. When the constraint is removed 1203, the parallelogram can be deformed to enable a larger range of motion at the trade-off of having less load-bearing function. The motions range for points A and B are larger when the elastomer-fluid transition magnetic materials 1 is in the off state. The constrained parallelogram 1205 allows the structure to bear the load from obstacles such as 1204, but the limited range of motion could be a limitation when the openings are narrow, such as from obstacles 1204. When encountering such a case, the constraints can be switched off transiently 1206, allowing the structure to traverse the narrowing, and the constraints could be reconfigured later when the loading functions are required. The elastomer-fluid transition magnetic materials 1 interfacing with the origami structure as a transient constraint is a useful approach to achieve a different type of reconfiguration at the interface between the actuator and structure.

[0051] Figure 13 embodies the reconfiguration at the interface of a two-rotational hinge structure (2RH) . The structure comprises soft magnetic components 1301, which could have other phase-change properties. 1 is attached to reconfigurable ledge 1302 in the structure. Permanent magnetic components 1303 are used in conjunction with the 1301 component to generate differential motions, allowing for internal deformations. Depending on the external electromagnetic field control, the structure can be controlled for locomotion-orientation and with phase change 1305 at the specific hinges 1304 to allow reconfiguration, the entire structure can reconfigure to take on a new configuration for a new function. One example would be having a linear configuration 1306 where the small cross-section is useful to navigate narrow passages, and with reconfiguration 1307 at the interface, a new L mode configuration 1308 could perform other functional tasks, such as where a functional surface is now exposed for needle delivery.

[0052] Figure 14 depicts various potential applications involving the reconfiguration capabilities of the two rotational hinge structure (2RH) . The first concept in the figure illustrates the reconfiguration for obstacle avoidance 1401, which can be achieved through linear, L mode, or simple compliant hinge configurations. Depending on the specific requirements of the environment, the structure can adapt and assume a wide range of configurations to perform the desired tasks effectively. Additionally, the 2RH can be combined with other components, such as a reconfigurable ramp 1402, to provide reaction force support for different height or angle requirements during the reconfiguration process. Moreover, the reconfiguration capabilities of the 2RH can be employed for the protection and deployment of functional surfaces, as exemplified by the needle deployment scenario 1403. In this particular application, the structure remains in a reconfigured state until it reaches the target site, at which point it reconfigures to expose the needles for functional purposes 1004.

[0053] Figure 15 shows the operation process of the elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools 15 for submucosal dissections. The elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools 15 include the thermal ablation unit (comprising a meltable tip 1501 and a non-responsive body 1502) and an electrosurgical unit (comprising a responsive supporting continuum 1503 and an electrosurgical unit 1504) . The thermal ablation unit first approaches the dissection region and melt 1501 by activating the RF field. During the fluid state, 1501 heats (to kill) the dissection region and vaporize the mucous membrane to attach firmly with each other. After heating, by dragging 1502, the submucosal dissection target can be pulled up. Afterwards, the electrosurgical unit 1504 approaches to cut the target. 1503, during the cutting, plays a role of direction adjustments by responding to external magnetic fields.

[0054] Detailed description / discussion

[0055] As addressed in the above sections, the reconfigurability at the actuator structure interface allows a different paradigm for reconfigurable mechanisms and allows designers a different approach to achieving complex tasks in confined spaces. The objective of this invention disclosure is to promote the reconfiguration of the actuator and structure interface. Where the actuator features phase transition for mechanical tuning with magnetic actuation, and the origami structure highlights the structural means to control and coupling of actuations to allow for embodied physical intelligence. The fluidity of the reversible elastomer-fluid phase transition materials during the phase change state allows for a large configuration space but the control of extreme compliance is usually difficult. Utilizing the structural constraints, the difficulty in controlling can be minimized. The compliance and flexibility of actuator attachment sites and configuration supplement the origami structure with a large workspace. The two components benefit each other, which enhances adaptability to environmental needs and provides the designer with a large space for customizability. The concept is that both the actuator and the structure are capable of their own independent reconfigurable workspaces, but with their mutual interactions at the interface, the reconfigurations can be utilized for unique functions. Another highlight of this approach of reconfiguration is that the components can be made to be recyclable or multifunctional. Similar to the concept of modularity or compliant mechanisms, where components can have interchangeable or multiple configurations, the material-origami approach demonstrates that it is capable of a similar reduction of redundant components via reconfigurations.

[0056] Unlike modular systems where the actuator is fixed to pre-defined attachment locations, the fluidity of the reversible elastomer-fluid phase transition materials and the flexibility in choosing the attachment site allows for a larger space of reconfiguration. The modular and compliant mechanism approaches could also be integrated into the origami structure for functions together with the actuators. Overall, the considerations for reconfigurations of the actuator structure interface should enhance the efficacy of component part use. Other types of actuation modes, such as shape memory or soft fluidic actuators mentioned above, could also be considered, but the use of the reversible elastomer-fluid phase transition materials appears to provide the best trade-off between controllability and flexibility. Shape memory devices lack the fluidity to achieve a large configuration space, while the fluidic actuation lacks the inherent structural integrity for loading and control and would require structural support. The ability to phase shift between different functional states endows the reversible elastomer-fluid phase transition materials with the ability to reconfigure and select the optimal configuration and properties. The combination of reconfigurable actuators and structures allows the mechanism to optimize the ideal compliance, loading response, and configuration to the required task. As the predominant description for actuation is magnetic, the actuation is also tetherless, which brings benefits to achieving a task in confined spaces where transmitting a control signal via a physical connection can be challenging. The combination of these benefits means that the reconfiguration of the actuator-structure interface disclosed here can achieve on-site assembly, allowing it to adapt to complex or dynamic environmental conditions.

[0057] One embodiment is described here for illustration. The mechanism has three aspects: the actuator, the structure, and the interface between said actuator and the structure. The actuator will have a combination of at least two of the following properties: interaction with electromagnetic fields to deform and displace; interaction with electromagnetic fields to generate heat; a phase change in mechanical properties, modulating different strain responses under applied stress; controllable adhesiveness properties; tunable mechanical properties such as viscosity and elasticity. The structure will have a combination of at least two of the following properties: Having multiple configurations; can be actuated by an attached actuator; can be reconfigured by external force from attached actuators. The interface between actuators and structure can reconfigure through at least one of the following schemas: reconfiguration and actuation, where the actuator and structure are initially spatially separate, but the union allows the mechanical interaction to reconfigure, and the constraints from the structure enhance control over the actuation; reconfiguration and actuation, where the actuator and structure are initially spatially connected, and reconfigurations in the actuator change the constraints and motions in the structure; new functions can arise from the reconfiguration of the components, or the new functions can be generated via interaction with external or environmental components. Further modification to the claimed mechanism can be done to enhance its functionalities. Additional components, such as additional mechanical attachments that modify the mechanical contact properties, additional electronics components that promote radio frequency interaction, or additional components for modulating biochemical interaction with the environment. One approach to fabricating the reconfigurable mechanism is described, and the claims extend to other similar processes and are not limited to the methods disclosed here.

[0058] The reversible elastomer-fluid phase transition materials comprise thermoplastics as the basic material, magnetic nanoparticles (MNPs) , and functional additives. Specifically, the commercially available hot melt adhesive (1 mm-particle-type) , ethylene-vinyl acetate, and polycaprolactone are combined in a predetermined composition. The magnetite powder (48 micrometers) and neodymium magnet powder (5–25 micrometers) are applied to respond to RF and external magnetic control stimuli, respectively. Graphene powder and wax are selectively applied to improve thermal effects and fluidity, respectively. All material particulates are weighted, settled in the petri dish, and put on a hot plate. Below 200 ℃, thermoplastic powders melt into fluids and are fully mixed by stirring them with the additive material powders. After 5 minutes of mixing, the reversible elastomer-fluid phase transition materials can be obtained by cooling for 5 minutes. According to specific geometry requirements, the reversible elastomer-fluid phase transition materials can be melted and poured into 3D-printed molds for further geometry shaping. Fabricating the origami structure is done with existing commercially available computer-aided design tools for the design phase, and the generated crease pattern is creased and cut with either CNC tooling attached to a penknife or laser cutter. The paper materials tested include 80 gsm A4 paper, 1 mm cardstock, 0.25 mm cardstock paper, and baking tray paper. Paper craft glue and catalyst-cured silicone (ecoflex 00-30) are used as the adhesive or at hinge joints. Conductive traces can be achieved with conductive paints (silver soldering paste) . The combination between the actuator and structure is achieved by manual assembly, where the reversible elastomer-fluid phase transition materials are directly bonded to the structural surfaces via phase change or with additional adhesives.

[0059] Embodiment 1. A reconfigurable soft robot system based on reversible elastomer-fluid transition materials, comprising:

[0060] a magnetic shape memory soft actuator;

[0061] a soft crawler;

[0062] a plurality of multi-stable foldable soft robot devices;

[0063] a self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device;

[0064] a subsystem capable of changing between multiple configurations; and

[0065] a plurality of elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools for submucosal dissections;

[0066] wherein the magnetic shape memory soft actuator, the soft crawler, the plurality of multi-stable foldable soft robot devices, the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device, the subsystem, and the plurality of elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools each comprises one or more parts made of a plurality of reversible elastomer-fluid transition magnetic materials.

[0067] Embodiment 2. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials are prepared by thermally mixing biocompatible thermoplastic materials, nano-scaled neodymium magnetic particles, nano-scaled magnetite particles, wax, and graphene.

[0068] Embodiment 3. The reconfigurable soft robot system of embodiment 2, wherein mass fractions of the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, the nano-scaled magnetite particles, the wax, and the graphene are adjustable such that the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials are classified into a phase-change-oriented family, a deformation-oriented family, a response-oriented family, and a flow-oriented family.

[0069] Embodiment 4. The reconfigurable soft robot system of embodiment 3, wherein the phase-change-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled magnetite particles, the deformation-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled neodymium magnetic particles, the response-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled magnetite particles, and the graphene, and the flow-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, and the wax.

[0070] Embodiment 5. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the magnetic shape memory soft actuator comprises a soft shell, the phase-change-oriented family and the deformation-oriented family, and wherein the phase-change-oriented family and the deformation-oriented family are installed at an end and a middle portion of the soft shell, respectively.

[0071] Embodiment 6. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the soft crawler comprises a head, a body, and a tail, which are all made of the plurality of reversible elastomer-fluid transition magnetic materials.

[0072] Embodiment 7. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the multi-stable foldable soft robot devices each comprises a deformation-oriented wing, a response-oriented wing, and a crease.

[0073] Embodiment 8. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device comprises responsive continuums, non-responsive body, self-dividable and self-reconfigurable connections, which are made of the response-oriented family, pure biocompatible thermoplastics, and the phase-change-oriented family, respectively, and multiple pieces of the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device are assembled into a magnetic grasper, which comprises a tip, a responsive stem, and a non-responsive root.

[0074] Embodiment 9. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, further comprising a direct material printer, wherein the direct material printer comprises a responsive-material nozzle, a connection nozzle, a non-responsive-material nozzle, a cooler fan, a scraper, a permanent magnet base, and a flexible mold, wherein the direct material printer is directly applied to print the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device, and wherein before its curing, the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device is configured to be in a softened state of uncured-continuums.

[0075] Embodiment 10. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the subsystem capable of changing between multiple configurations comprises an actuation source, a mechanical structure, and an interface between the actuation source and the mechanical structure, wherein the configurations are defined as different physical arrangements of a structure and its associated deformation or transformation from that particular arrangement,

[0076] wherein the actuation source is configured to generate mechanical motion and deformation in response to an externally applied electromagnetic field, the actuation source is made of the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials, allowing a change in the mechanical response of the actuator, the actuation source is capable of attaching to structural surfaces and is capable of reversible attachment and detachment with itself,

[0077] wherein the mechanical structure comprises discrete joints, flexural hinges, rigid members to allow force transfer and controlled structural deformations, wherein the different components inside the structure are configured to be actuated independently or in a coupled manner, wherein the structure includes an assembly of multiple separate components or parts where different functions are optimized, depending on the assembled state of the structure, and

[0078] wherein the interface couples the actuation source and the mechanical structure, which has different characteristics depending on the constraints or couplings between the actuation source and the mechanical structure and on the properties of the actuation source and the mechanical structure.

[0079] Embodiment 11. The reconfigurable soft robot system of embodiment 10, wherein the magnetic responsive elements in the actuation source are soft magnetic particles or hard magnetic particles, wherein bulk material of the actuation source has thermoplastic properties that allow phase change, and wherein mechanical stiffness, transition properties, or viscosity is tuned via the bulk material composition, and wherein functional groups of polymers confer tunable adhesiveness properties to surfaces of the actuation source and the mechanical structure.

[0080] Embodiment 12. The reconfigurable soft robot system of embodiment 10, wherein the electromagnetic field is configured to generate wireless radio-frequency heating in the soft magnetic components, inducing a temperature-dependent phase change in the bulk material.

[0081] Embodiment 13. The reconfigurable soft robot system of embodiment 10, wherein changes to orientation or position from the applied electromagnetic field depend on the geometry and constraints of the actuation source, and wherein the geometry of the actuation source is configured to be shaped by the applied electromagnetic fields, interaction with the environment, or with a casting mold.

[0082] Embodiment 14. The reconfigurable soft robot system of embodiment 9, wherein magnetization profile of the actuation source is reprogrammable with radiofrequency heating and subsequent remagnetization, or with phase-change geometrical reorientation of the actuation source under an applied electromagnetic field.

[0083] Embodiment 15. The reconfigurable soft robot system of embodiment 10, wherein the mechanical structure comprises flexural hinges and planar facet constraints, allowing origami-like actuation properties including any of multi-stability, flat foldability, constraint coupling, and component alignment.

[0084] Embodiment 16. The reconfigurable soft robot system of embodiment 15, wherein depending on a configuration state of the mechanical structure, the actuation from the actuation source is configured to be constrained to different functions including any of reconfiguration, actuation, or locomotion, wherein the configuration states allowed in the mechanical structure are dependent on the attachment location of the actuation source or other forms of actuators, and wherein the selection of different actuation sequences in space and in time modulates the allowable configuration states of the mechanical structure.

[0085] Embodiment 17. The reconfigurable soft robot system of embodiment 15, wherein the mechanical composition of constraints and joints in the mechanical structure imparts a programmed mechanical response to forces from the actuators or environment, and wherein the programmed mechanical response is a type of embodied physical intelligence, inherent to the mechanical structure, which is elevated with the actuation from the actuation source to induce, remove, or change constraints in the mechanical structure.

[0086] Embodiment 18. The reconfigurable soft robot system of embodiment 10, wherein interactions between the actuation source and the mechanical structure by the interface are reconfigurable in that the attachment site of the actuation source to the mechanical structure is predetermined and is changeable, due to the fluidic phase-change and adhesion properties from the actuation source and the mechanical programmability and constraint coupling from the mechanical structure.

[0087] Embodiment 19. The reconfigurable soft robot system of embodiment 1, wherein the elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools comprise a thermal ablation unit and an electrosurgical unit, wherein the thermal ablation unit has a meltable tip and a non-responsive body, and the electrosurgical unit has a responsive supporting continuum and an electrosurgical unit.

[0088] Embodiment 20. A method of fabricating a reconfigurable system, comprising:

[0089] providing at least one reconfigurable interface between at least one actuation source and at least one mechanical structure.

[0090] Embodiment 21. The method of embodiment 20, further comprising preparing the at least one actuation source by a one-pot method wherein different component materials are homogenized under controlled temperatures to create actuation material with required properties.

[0091] Embodiment 22. The method of embodiment 20, further comprising configuring the mechanical structure by varying the stiffness with mechanical cut, mechanical scoring, laser cutting, laser scoring, polymer cured hardeners, attachable flexible components, attachable rigid components, or a combination with other tooling methods.

[0092] Embodiment 23. The method of embodiment 20, further comprising configuring the reconfigurable interface to enable the assembly of the final structure to be disposed at a desired location, which is distant and different from the fabrication location, and wherein the attachment of at least one actuation source and at least one mechanical structure is performed at the fabrication location and subsequent reconfiguration is performed at the desired location.

[0093] All patents, patent applications, provisional applications, and publications referred to or cited herein are incorporated by reference in their entirety, including all figures and tables, to the extent they are not inconsistent with the explicit teachings of this specification.

[0094] It should be understood that the examples and embodiments described herein are for illustrative purposes only and that various modifications or changes in light thereof will be suggested to persons skilled in the art and are to be included within the spirit and purview of this application and the scope of the appended claims. In addition, any elements or limitations of any invention or embodiment thereof disclosed herein can be combined with any and / or all other elements or limitations (individually or in any combination) or any other invention or embodiment thereof disclosed herein, and all such combinations are contemplated with the scope of the invention without limitation thereto.

[0095] REFERENCES

[0096] US 11,304,767 B2

[0097] US 10,857,670 B2

[0098] US 10,151,304 B2

[0099] US 10,720,261 B2

[0100] US 10,099,458 B2 10.1126 / science. 1252610 10.1109 / MRA. 2016.2580593

[0101] eaah3690

[0102] eaao4369

[0103] 10.1002 / advs. 202101290   https:  / / doi. org / 10.1016 / j. eml. 2021.101340

[0104] 10.1002 / adfm. 202107662   https:  / / doi. org / 10.1038 / s41467-022-32059-9

[0105] 10.1002 / adfm. 202112508 10.1088 / 2399-7532 / ac4c95

[0106] eabg2171 https:  / / doi. org / 10.1038 / s41467-022-30802-w https:  / / doi. org / 10.1038 / s41467-023-35905-6 https:  / / doi. org / 10.1021 / acsami. 2c19679 https:  / / doi. org / 10.1016 / j. matt. 2022.12.003 https:  / / doi.org / 10.1038 / s44172-023-00098-9 https:  / / doi.org / 10.1038 / s41467-023-36819-z

Claims

1.A reconfigurable soft robot system based on reversible elastomer-fluid transition materials, comprising:a magnetic shape memory soft actuator;a soft crawler;a plurality of multi-stable foldable soft robot devices;a self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device;a subsystem capable of changing between multiple configurations; anda plurality of elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools for submucosal dissections;wherein the magnetic shape memory soft actuator, the soft crawler, the plurality of multi-stable foldable soft robot devices, the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device, the subsystem, and the plurality of elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools each comprises one or more parts made of a plurality of reversible elastomer-fluid transition magnetic materials.2.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials are prepared by thermally mixing biocompatible thermoplastic materials, nano-scaled neodymium magnetic particles, nano-scaled magnetite particles, wax, and graphene.3.The reconfigurable soft robot system of claim 2, wherein mass fractions of the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, the nano-scaled magnetite particles, the wax, and the graphene are adjustable such that the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials are classified into a phase-change-oriented family, a deformation-oriented family, a response-oriented family, and a flow-oriented family.4.The reconfigurable soft robot system of claim 3, wherein the phase-change-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled magnetite particles, the deformation-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials and the nano-scaled neodymium magnetic particles, the response-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled magnetite particles, and the graphene, and the flow-oriented family comprises the biocompatible thermoplastic materials, the nano-scaled neodymium magnetic particles, and the wax.5.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the magnetic shape memory soft actuator comprises a soft shell, the phase-change-oriented family and the deformation-oriented family, and wherein the phase-change-oriented family and the deformation-oriented family are installed at an end and a middle portion of the soft shell, respectively.6.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the soft crawler comprises a head, a body, and a tail, which are all made of the plurality of reversible elastomer-fluid transition magnetic materials.7.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the multi-stable foldable soft robot devices each comprises a deformation-oriented wing, a response-oriented wing, and a crease.8.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device comprises responsive continuums, non-responsive body, self-dividable and self-reconfigurable connections, which are made of the response-oriented family, pure biocompatible thermoplastics, and the phase-change-oriented family, respectively, and multiple pieces of the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device are assembled into a magnetic grasper, which comprises a tip, a responsive stem, and a non-responsive root.9.The reconfigurable soft robot system of claim 1, further comprising a direct material printer, wherein the direct material printer comprises a responsive-material nozzle, a connection nozzle, a non-responsive-material nozzle, a cooler fan, a scraper, a permanent magnet base, and a flexible mold, wherein the direct material printer is directly applied to print the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device, and wherein before its curing, the self-dividable and self-reconfigurable continuums robot device is configured to be in a softened state of uncured-continuums.10.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the subsystem capable of changing between multiple configurations comprises an actuation source, a mechanical structure, and an interface between the actuation source and the mechanical structure, wherein the configurations are defined as different physical arrangements of a structure and its associated deformation or transformation from that particular arrangement,wherein the actuation source is configured to generate mechanical motion and deformation in response to an externally applied electromagnetic field, the actuation source is made of the reversible elastomer-fluid transition magnetic materials, allowing a change in the mechanical response of the actuator, the actuation source is capable of attaching to structural surfaces and is capable of reversible attachment and detachment with itself,wherein the mechanical structure comprises discrete joints, flexural hinges, rigid members to allow force transfer and controlled structural deformations, wherein the different components inside the structure are configured to be actuated independently or in a coupled manner, wherein the structure includes an assembly of multiple separate components or parts where different functions are optimized, depending on the assembled state of the structure, andwherein the interface couples the actuation source and the mechanical structure, which has different characteristics depending on the constraints or couplings between the actuation source and the mechanical structure and on the properties of the actuation source and the mechanical structure.11.The reconfigurable soft robot system of claim 10, wherein the magnetic responsive elements in the actuation source are soft magnetic particles or hard magnetic particles, wherein bulk material of the actuation source has thermoplastic properties that allow phase change, and wherein mechanical stiffness, transition properties, or viscosity is tuned via the bulk material composition, and wherein functional groups of polymers confer tunable adhesiveness properties to surfaces of the actuation source and the mechanical structure.12.The reconfigurable soft robot system of claim 10, wherein the electromagnetic field is configured to generate wireless radio-frequency heating in the soft magnetic components, inducing a temperature-dependent phase change in the bulk material.13.The reconfigurable soft robot system of claim 10, wherein changes to orientation or position from the applied electromagnetic field depend on the geometry and constraints of the actuation source, and wherein the geometry of the actuation source is configured to be shaped by the applied electromagnetic fields, interaction with the environment, or with a casting mold.14.The reconfigurable soft robot system of claim 9, wherein magnetization profile of the actuation source is reprogrammable with radiofrequency heating and subsequent remagnetization, or with phase-change geometrical reorientation of the actuation source under an applied electromagnetic field.15.The reconfigurable soft robot system of claim 10, wherein the mechanical structure comprises flexural hinges and planar facet constraints, allowing origami-like actuation properties including any of multi-stability, flat foldability, constraint coupling, and component alignment.16.The reconfigurable soft robot system of claim 15, wherein depending on a configuration state of the mechanical structure, the actuation from the actuation source is configured to be constrained to different functions including any of reconfiguration, actuation, or locomotion, wherein the configuration states allowed in the mechanical structure are dependent on the attachment location of the actuation source or other forms of actuators, and wherein the selection of different actuation sequences in space and in time modulates the allowable configuration states of the mechanical structure.17.The reconfigurable soft robot system of claim 15, wherein the mechanical composition of constraints and joints in the mechanical structure imparts a programmed mechanical response to forces from the actuators or environment, and wherein the programmed mechanical response is a type of embodied physical intelligence, inherent to the mechanical structure, which is elevated with the actuation from the actuation source to induce, remove, or change constraints in the mechanical structure.18.The reconfigurable soft robot system of claim 10, wherein interactions between the actuation source and the mechanical structure by the interface are reconfigurable in that the attachment site of the actuation source to the mechanical structure is predetermined and is changeable, due to the fluidic phase-change and adhesion properties from the actuation source and the mechanical programmability and constraint coupling from the mechanical structure.19.The reconfigurable soft robot system of claim 1, wherein the elastomer-fluid transition materials-aided surgical tools comprise a thermal ablation unit and an electrosurgical unit, wherein the thermal ablation unit has a meltable tip and a non-responsive body, and the electrosurgical unit has a responsive supporting continuum and an electrosurgical unit.20.A method of fabricating a reconfigurable system, comprising:providing at least one reconfigurable interface between at least one actuation source and at least one mechanical structure.21.The method of claim 20, further comprising preparing the at least one actuation source by a one-pot method wherein different component materials are homogenized under controlled temperatures to create actuation material with required properties.22.The method of claim 20, further comprising configuring the mechanical structure by varying the stiffness with mechanical cut, mechanical scoring, laser cutting, laser scoring, polymer cured hardeners, attachable flexible components, attachable rigid components, or a combination with other tooling methods.23.The method of claim 20, further comprising configuring the reconfigurable interface to enable the assembly of the final structure to be disposed at a desired location, which is distant and different from the fabrication location, and wherein the attachment of at least one actuation source and at least one mechanical structure is performed at the fabrication location and subsequent reconfiguration is performed at the desired location.

Images