Elasto-electromagnetic actuation system, elasto-electromagnetic actuator and fabrication method thereof, and autonomous insect-scale robot

Abstract

This disclosure involves an elasto-electromagnetic actuation system(100), an elasto-electromagnetic actuator(200) and fabrication method of the same, and an autonomous insect-scale robot(400). The elasto-electromagnetic actuation system(100) comprises a magnetized hard magnet(110), an electrical coil(120) and an elastomeric structure(130) containing an annular cavity(131). The elastomeric structure(130) can have one or multiple equilibrium states, and different equilibrium states correspond to different geometries of the elastomeric structure(130). The elastomeric structure(130) is configured to be able to, in response to varying of the current flowing through the electrical coil(120), transition between a non-equilibrium state and the equilibrium state, or between any two of multiple equilibrium states, thus realizing a linear actuation between the magnetized hard magnet(110) and the soft magnets(121). The elasto-electromagnetic actuator(200) comprises the above elasto-electromagnetic actuation system(100) and the autonomous insect-scale robot(400) comprises the above elasto-electromagnetic actuator(200).

Description

ELASTO-ELECTROMAGNETIC ACTUATION SYSTEM, ELASTO-ELECTROMAGNETIC ACTUATOR AND FABRICATION METHOD THEREOF, AND AUTONOMOUS INSECT-SCALE ROBOTTECHNICAL FIELD

[0001] The present disclosure relates to an elasto-electromagnetic actuation system, an elasto-electromagnetic actuator and fabrication method of the same, and an autonomous insect-scale robot.BACKGROUND

[0002] The development of robots designed to undertake tedious, dangerous, or otherwise impractical tasks for humans is rapidly advancing. These robots, equipped with sophisticated artificial intelligence, increasingly possess a “brain” capable of complex decision-making processes. However, their “muscular power” , or actuation autonomy, i.e., the ability to initiate movement independently of external power sources, is equally crucial. This capability is essential for effective locomotion and task execution, requiring robust actuation force and stroke to navigate and overcome environmental challenges. While large-scale robots have already achieved actuation autonomy, benefiting from centuries of advancements in electromagnetic motors and transmission mechanisms that provide substantial force and stroke, insect-scale robots (ranging from millimeters to centimeters) confront considerable challenges. Many of these smaller robots remain tethered or rely on external stimulations for actuation, severely limiting their practical applications in environments such as disaster sites or confined spaces.

[0003] Conventional electromagnetic systems, though capable of delivering significant actuation force, are complex and typically involve rigid motors and multiple components. This complexity poses substantial challenges to miniaturization, thus restricting autonomous capabilities to larger scales. Additionally, their rigid structure and intricate assembly  requirements increase their vulnerability to impact damage. In response, recent research has explored new actuation systems to enable miniaturization and autonomous actuation at the insect scale. These systems include low-voltage electroactive hydrogels and polymers that, despite slow response times, have seen performance enhancements through approaches such as wrinkled electrodes or bistable structures. Yet, the maximum output forces of these centimeter-scale robots remain limited to about 20 mN for those weighing 1.4 g and 40 mN for those at 2.7g. When benchmarked to biological standards, where the force-to-bodyweight ratio typically ranges from 0.5 body mass-1 / 3 to 20 body mass-1 / 3, these robots still fall short. Necessary forces for effective operation should be around 60 mN for a 1.4 g robot and 95 mN for a 2.7 g robot, underscoring a significant gap. Furthermore, while autonomous insect-scale robots employing piezoelectric actuation can achieve up to 40 mN with a mass of 1.9 g, they still fail to meet minimum biological force requirements. Additionally, these robots have minimal deformation strokes and require high voltages, which severely constrain their locomotion capabilities and practical utility. Even autonomous thermal actuators based on shape memory alloys and combustion mechanisms, capable of substantial actuation force, suffer from high material stiffness and the inherently slow response times, limiting their deformation stroke to about 0.8 %and their movement speed to merely 0.042 body lengths per second.

[0004] The present disclosure is provided to address the above-mentioned defects mentioned in the background.SUMMARY

[0005] In response to these multifaceted challenges, this disclosure introduces an Elasto-Electromagnetic (EEM) actuation system, a novel solution that leverages the strengths of electromagnetic actuation while mitigating its downsides. The EEM system combines substantial actuation force, large deformation stroke, rapid response, and low-voltage operation within a streamlined, easily miniaturizable design. This system uniquely incorporates soft materials to provide an elastic recovery force that balances the electromagnetic force, enhancing various actuation properties and significantly improving impact resistance. This innovative approach heralds a new era of autonomous insect-scale soft robots capable of  generating sufficient force to overcome real-world environmental obstacles. These robots excel in executing efficient locomotion gaits, such as swimming, inchworm-like crawling, legged crawling, and jumping, which are crucial for adapting to diverse environments. Furthermore, by integrating sensing capabilities, this disclosure not only validates the feasibility of full autonomy in small-scale robots but also expands their potential applications in critical areas such as signal detection and search-and-rescue missions.

[0006] A first aspect of the present disclosure provides an elasto-electromagnetic actuation system. The elasto-electromagnetic actuation system comprises a magnetized hard magnet. The elasto-electromagnetic actuation system further comprises an electrical coil, and soft magnets are integrated in an inner space defined by the electrical coil; a magnetic force exists between the magnetized hard magnet and the soft magnets, an electromagnetic force is generated between the magnetized hard magnet and the electrical coil in a case where a current is applied in the electrical coil, the current in the electrical coil is positively correlated with the electromagnetic force, and a combined force of the magnetic force and the electromagnetic force constitutes an attraction force. The elasto-electromagnetic actuation system further comprises an elastomeric structure containing an annular cavity, the magnetized hard magnet and the soft magnets are respectively connected to opposite ends of the elastomeric structure, such that the elastomeric structure is capable of deforming under the attraction force to generate an elastic force. The elastomeric structure with the magnetized hard magnet and the soft magnets can have one or multiple equilibrium states, and different equilibrium states correspond to different geometries of the elastomeric structure; in each equilibrium state, the attraction force and the elastic force together enable the annular cavity to maintain the current shape. The elastomeric structure is configured to be able to, in response to varying of the current flowing through the electrical coil, transition between a non-equilibrium state and the equilibrium state, or between any two of multiple equilibrium states, thus realizing a linear actuation between the magnetized hard magnet and the soft magnets.

[0007] A second aspect of the present disclosure provides an elasto-electromagnetic actuator comprising the elasto-electromagnetic actuation system of the first aspect. In the elasto-electromagnetic actuator, the magnetized hard magnet is housed in a top chamber disposed at the top of the elastomeric structure, and the electrical coil  with the soft magnets is housed in a bottom chamber disposed at the bottom of the elastomeric structure. The elastomeric structure at each side further comprises a flexure linkage connecting an outer wall of the top chamber of the elastomeric structure and a corresponding side wall of the elastomeric structure, so as to convert the linear actuation between the magnetized hard magnet and the soft magnets into a rotational motion of the flexure linkage in a two-dimensional plane.

[0008] A third aspect of the present disclosure provides a fabrication method of the elasto-electromagnetic actuator of the second aspect. The fabrication method comprises winding the electrical coil with a winding machine, thereby defining a soft magnets cavity in the inner space. The fabrication method further comprises fixedly positioning the soft magnets in the soft magnets cavity. The fabrication method further comprises manufacturing the elastomeric structure using a two-step molding method. The fabrication method further comprises housing the magnetized hard magnet and the electrical coil with the soft magnets in the top chamber and the bottom chamber of the elastomeric structure respectively.

[0009] A fourth aspect of the present disclosure provides an autonomous insect-scale robot comprising the elasto-electromagnetic actuator of the second aspect. The autonomous insect-scale robot further comprises a power source for supplying current for the electrical coil. The autonomous insect-scale robot further comprises a control circuit configured to control the power source to supply the current to the electrical coil to control deformation of the elastomeric structure, so as to control the rotational motion of the flexure linkage.

[0010] Other aspects of the disclosure will become apparent by consideration of the detailed description and accompanying drawings.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0011] In figures that are not necessarily drawn to scale, the same reference numerals may describe similar components in different figures. The same reference signs with suffixes or different suffixes may denote different examples of similar components. The figures generally show various embodiments by way of example rather than  limitation, and are used together with the description and the claims to describe the embodiments of the present disclosure. Such embodiments are illustrative, and are not intended to be exhaustive or exclusive embodiments of the present device or method.

[0012] Fig. 1 schematically shows the configuration of the elasto-electromagnetic actuation system according to an embodiment of the present disclosure;

[0013] Fig. 2 schematically shows the inherent force-displacement curves of the EEM actuation system according to an embodiment of the present disclosure;

[0014] Fig. 3 schematically shows the force-displacement curves of the EEM actuation system with electrical signal introduced into electrical coil according to an embodiment of the present disclosure;

[0015] Figs. 4a-4c respectively schematically show the elastomeric structure having one equilibrium (stable) state, two equilibrium (stable) state and three equilibrium (stable) state as well as respective force-displacement curve according to an embodiment of the present disclosure;

[0016] Figs. 5a-5b respectively schematically show smooth transition and step transition between equilibrium states or between a non-equilibrium state and the equilibrium state according to an embodiment of the present disclosure;

[0017] Fig. 5c schematically shows large actuation stroke of the elastomeric structure according to an embodiment of the present disclosure;

[0018] Figs. 6a-6b schematically show a front view and perspective view of the configuration of the elasto-electromagnetic actuator according to an embodiment of the present disclosure;

[0019] Fig. 7 schematically shows a flow diagram of the fabrication method of the elasto-electromagnetic actuator according to an embodiment of the present disclosure;

[0020] Fig. 8 schematically shows fabrication process of the elasto-electromagnetic actuator according to an embodiment of the present disclosure;

[0021] Figs. 9a-9c respectively schematically show the force-displacement curves of the EEM actuator with distinct actuation properties according to an embodiment of the present disclosure;

[0022] Fig. 10a schematically shows overall performance of the bistable state EEM actuator according to an embodiment of the present disclosure;

[0023] Fig. 10b schematically shows a comparison between the EEM actuator according to an embodiment of the present disclosure with existing autonomous insect-scale actuators (<4 cm) in different aspects.

[0024] Fig. 11 schematically shows a block diagram of the autonomous insect-scale robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0025] Fig. 12a schematically shows a perspective view of the configuration of the inchworm crawler robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0026] Fig. 12b schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the inchworm crawler robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0027] Fig. 13 schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the inchworm crawler robot according to another embodiment of the present disclosure;

[0028] Fig. 14a schematically shows a perspective view of the configuration of the legged crawler robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0029] Fig. 14b schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the legged crawler robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0030] Fig. 14c schematically shows a front view of the legged crawling joint according to an embodiment of the present disclosure;

[0031] Fig. 15a schematically shows a perspective view of the configuration of the swimmer robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0032] Fig. 15b schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the swimmer robot according to an embodiment of the present disclosure;

[0033] Fig. 15c schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the swimmer robot according to another embodiment of the present disclosure; and

[0034] Fig. 16 schematically shows a front view of the configuration of EEM actuator of the jumper robot according to an embodiment of the present disclosure.DETAILED DESCRIPTION

[0035] In order to enable those skilled in the art to better understand the technical

[0036] solutions of the present disclosure, the present disclosure will be described in detail below in conjunction with the accompanying drawings and specific embodiments. The embodiments of the present disclosure will be described in further detail below in conjunction with the accompanying drawings and specific embodiments, but they are not intended to limit the present disclosure.

[0037] “First” , “second” and similar words used in the present disclosure do not indicate any order, quantity or importance, but are only used to distinguish different components. “Include” or “comprise” and other similar words mean that an element appearing before this word covers an element listed after this word, but do not exclude other elements.

[0038] In addition, although exemplary embodiments have been described herein, the scope thereof includes any and all embodiments based on the present disclosure having equivalent elements, modifications, omissions, combinations (e.g., scenarios where various embodiments intersect) , adaptations, or changes. The elements of the claims will be construed broadly based on the language employed in the claims and are not limited to the examples described in this specification or during implementation of this application, the examples of which will be construed as non-exclusive. Accordingly, this specification and the examples are intended to be considered as examples only and the true scope and spirit are indicated by the full scope of the following claims and their equivalents.

[0039] The elasto-electromagnetic actuation system

[0040] Fig. 1 shows the configuration of the elasto-electromagnetic actuation (referred to as “EEM” hereinafter) system of the present application. As shown in Fig. 1, the EEM actuation system 100 comprises a magnetized hard magnet 110, an electrical  coil 120 and an elastomeric structure 130 containing an annular cavity 131 (preferably of symmetrical structure) . Specifically, soft magnets 121 are integrated in an inner space defined by the electrical coil 120, a magnetic force exists between the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121, an electromagnetic force is generated between the magnetized hard magnet 110 and the electrical coil 120 in a case where a current is applied in the electrical coil 120, the current in the electrical coil 120 is positively correlated with the electromagnetic force, and a combined force of the magnetic force and the electromagnetic force constitutes an attraction force. Besides, the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121 are respectively connected to opposite ends of the elastomeric structure 130, such that the elastomeric structure 130 is capable of deforming under the attraction force to generate an elastic force.

[0041] Herein, the soft magnets 121 preferably include multiple soft magnetic spheres with a same diameter, as shown by Fig. 1. Alternatively, the soft magnets 121 can also be one single soft magnet.

[0042] The design of the EEM actuation system 100 simplifies fabrication through a streamlined 2D elastomeric molding, avoiding complex 3D assembly and reducing manufacturing complexity. This facilitates miniaturization and allows for a broad range of material choices tailored to specific application requirements. The materials selected for the present disclosure include N52 grade NdFeB for the magnetized hard magnet 110 and pure iron for the soft magnets 121 to enhance magnetic force and improve efficiency, with polydimethylsiloxane (PDMS) chosen as the material for the elastomeric structure for its excellent elasticity and durability

[0043] Fig. 2 shows the inherent force-displacement curves of the EEM actuation system 100 and explains system’s elasticity which is governed by the capacity of the elastomeric structure 130 to deform and recover, wherein the variable x represents the actuation displacement and xlimit is the physical constrained position as the magnetized hard magnet 100 approaches the electric coil; the intersection represents the initial balance position x0, with the EEM actuation system 100 capable of reaching the displacement limit xlimit at a maximum force exertion.

[0044] Referring to Fig. 2, as the magnetized hard magnet 110 moves closer to the electrical coil 120 and soft magnets 121, an attraction force Fem, which is a combination  force of the magnetic force and the electromagnetic force between the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121, represented by the lower solid curve, intensifies. Concurrently, the deformation of the elastomeric structure 130 generates a counteracting elastic force Fe, depicted by the upper solid curve. This setup permits dual modulation of force balance: either by adjusting the electromagnetic force via electrical currents or by altering the elastic force response through the structural design of the elastomer, as details in follows.

[0045] (1) Adjusting the magnetic force via electrical currents: As shown in Fig. 3, at a base state (I = 0) , the EEM actuation system 100 naturally stabilizes at an equilibrium position x0. Introducing an electrical signal (I = I1) to the electrical coil 120 disrupts this equilibrium, thereby elevating the attraction force curve (middle dashed curve) and establishing a new equilibrium position (or “balance position” ) x1. This new equilibrium position x1 can be precisely controlled by varying the electrical signal I, thus enabling exact manipulations of movements of the actuation system. As the applied current increases, the actuation displacement will eventually be constrained by a limit position, xlimit, beyond which the magnetized hard magnet 110 encounters the bottom geometric boundary of the system (as shown in Fig. 1) .

[0046] (2) Modifying the elastic force response through the structural design: Through tailored structural design of the elastomeric structure 130, the EEM actuation system 100 can be engineered to exhibit specific actuation characteristics. In scenarios where no electrical current is applied, the design of the elastomeric structure 130 determines the number of stable equilibrium points -whether one, two, or even three –each balanced with the attraction force Fem. An EEM actuation system 100 designed with a single equilibrium point will revert to its original state upon the removal of a static load or after a prescribed displacement. Differently, an EEM actuation system 100 designed with multiple equilibrium points can maintain two or three distinct equilibrium states (or “stable states” ) even after external load removal (Figs. 4a-4c) . This capability of realizing multiple equilibrium states within a notably compact design is possible through a combined Genetic Algorithm (GA) with finite element analysis, which is very challenging to achieve using conventional structural design method.

[0047] In the EEM actuation system 100 provided by the present disclosure, the  above two types of mechanism are combined to modify the elastic force response of such system.

[0048] Rather than using a mechanical load, the EEM actuation system 100 can uniquely switch between its equilibrium states or between equilibrium state and non-equilibrium state through electrical current-induced deformation. For example, In an embodiment where the elastomeric structure 130 has one single equilibrium state, the elastomeric structure 130 can enter the non-equilibrium state in response to current flowing through the electrical coil 120, and returns from the non-equilibrium state to the equilibrium state in response to the current stopping flowing through the electrical coil 120. Besides, in an embodiment where the elastomeric structure 130 has at least two equilibrium states, the elastomeric structure 130 can transition between two equilibrium states in response to varying of the current flowing through the electrical coil, the current required dependent on specific elastomeric structure of the system. The elastomeric structure 130 in this embodiment can maintain current equilibrium state when the electric current is stopped from flowing in the equilibrium state.

[0049] This capability provides precise control over state transitions in a cost-effective manner, consuming energy only during the shift between states. For an EEM actuation system designed with a single equilibrium state, application of an electrical current shifts the system to a new, current-dependent equilibrium point. Upon deactivation of the current, the system reverts to its original stable state. In contrast, an EEM actuation system configured with multiple equilibrium states can maintain its newly acquired equilibrium states (labeled as state 1, state 2 and state 3 in Figs. 4a-4c) even after the current is ceased. This ability to sustain stable states without continuous electrical power is extremely advantageous, leading to significant energy savings, which is critical to insect-scale robots. By aligning critical or functional states of the actuator with these equilibria, the system achieves efficient power usage without sacrificing performance.

[0050] Herein, in any of the above embodiments, the varying of the current includes the varying of current direction and current magnitude. That is, to vary current direction or the current magnitude can lead transition between the non-equilibrium state and the equilibrium state or between two equilibrium states.

[0051] In an embodiment, the elastomeric structure 130 with the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121 can have one or multiple equilibrium states, and different equilibrium states correspond to different geometries of the elastomeric structure 130; in each equilibrium state, the attraction force and the elastic force together enable the annular cavity 131 to maintain the current shape. The elastomeric structure 130 is configured to be able to, in response to varying of the current flowing through the electrical coil 120, transition between a non-equilibrium state and the equilibrium state, or between any two of multiple equilibrium states, thus realizing a linear actuation between the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121.

[0052] In an embodiment, in addition to the multi-stable states of the EEM actuation system 100, the transition process between these equilibrium states or between a non-equilibrium state and the equilibrium state can be also precisely engineered by the strategic structural design (Figs. 5a-5c) . This design allows the system to either smoothly navigate between states with minimal transition displacements or to undergo sudden step transitions that result in spontaneous energy release. Notably, the smooth transitions are facilitated through multiple intersecting points between the elastic force curve and electrical current-dependent electromagnetic curves, as marked by dots in Fig. 5a. This mechanism is distinct from the multi-stable states (Figs. 4b-4c) which are independent of electrical current. Systems designed for high-energy release show marked improvements in dynamic performance, including accelerated actuation speeds and enhanced momentum. For instance, the sub centimeter-scale actuators with this characteristic can utilize the high momentum produced (0.52×10-3kg·m / s in momentum and 0.67 m / sin takeoff velocity, which is comparable to that of a jumping spider with 0.5-0.7 m / s) to execute jump motions (Fig. 5b) . Moreover, these actuators can be engineered to achieve substantial actuation stroke, reaching up to 60%of their height (Fig. 5c) .

[0053] The elasto-electromagnetic actuator

[0054] With the compact and controlled actuation capabilities of the EEM actuation system 100 described above, an elasto-electromagnetic actuator (or EEM actuator) can be constructed by integrating such EEM actuation system 100.

[0055] Figs. 6a-6b schematically show a front view and perspective view of the  configuration of the elasto-electromagnetic actuator 200 of the present application, respectively. In an embodiment depicted by Figs. 6a-6b, the elasto-electromagnetic actuator 200 comprises the elasto-electromagnetic actuation system 100, wherein the magnetized hard magnet 110 is housed in a top chamber 131 disposed at the top of the elastomeric structure 130, and the electrical coil 120 with the soft magnets 121 is housed in a bottom chamber 132 disposed at the bottom of the elastomeric structure 130. The elastomeric structure 130 at each side further comprises a flexure linkage 133 connecting an outer wall 134 of the top chamber 131 of the elastomeric structure 130 and a corresponding side wall 135 of the elastomeric structure 130, so as to convert the linear actuation between the magnetized hard magnet 110 and the soft magnets 121 into a rotational motion (indicated by the double sided arrow) of the flexure linkage 133 in a two-dimensional plane.

[0056] For the elasto-electromagnetic actuator 200, an elastic structure is engineered to serve as the flexure linkage 133, so as to convert linear motion into rotational motion, thereby facilitating motion transmission while maintaining a planar geometry that simplies the actuator’s fabrication. The resulting assembly, termed the EEM motor, integrates actuation and motion transfer in a single unit. This integration not only simplifies manufacturing but also ensures robust actuation force and extensive deformations. It is important to note that the current design focuses on the flexure linkage 133 that converts linear motion into rotational motion.

[0057] In an embodiment, as shown by Fig. 7, the fabrication / manufacturing method 300 of the elasto-electromagnetic actuator 200 can include the following steps S310-S340.

[0058] S310, winding the electrical coil 120 with a winding machine, thereby defining a soft magnets cavity in the inner space.

[0059] The electrical coil 120 is firstly wound into a cuboid shape with specific dimensions using the NITTOKU winding machines (Coils for centimeter-scale system: 4.1 mm × 4.1 mminner size, 6.2 mm × 6.2 mm outer size, 2 mm length, and 0.15 mm diameter copper wire; Coils for millimeter-scale system: 0.65 mm × 0.65 mm inner size, 1.1 mm × 1.1 mm outer size, 0.45 mm length, and 0.06 mm diameter copper wire; Coils for decimeter-scale system: 34 mm × 34 mm inner size, 51 mm × 51 mm outer size, 18  mm length, and 0.8 mm diameter copper wire) . The resistances of those electrical coils for centimeter, millimeter and decimeter-scale systems are 1.25 Ω, 1.62 Ω, and 1.17 Ω, respectively. As a result, a soft magnets cavity is defined in the inner space.

[0060] S320, fixedly positioning the soft magnets 121 in the soft maegets cavity.

[0061] Specifically, the soft magnets 121, such as soft magnetic spheres, are placed into the inner space of the electrical coil 120 in array form and bond them by curing PDMS in between (see A of Fig. 8) . In this embodiment, discrete soft magnetic spheres instead of a cuboid-shaped block are selected to avoid magnetic anisotropy induced from geometry. Specifically, if the desired magnetizing direction does not align with the long axis of the cuboid-shaped soft magnet, the enhancement of the magnetic moment in the desired direction would be inefficient.

[0062] S330, manufacturing the elastomeric structure 130 using a two-step molding method.

[0063] Thanks to the plannar structure of the elastomeric component in the EEM actuation system 100, it can be easily fabricated using 2D molding technology. As the elastomeric structures typically have a large value in thickness while having small features in width, a two-step molding method is adopted (see B of Fig. 8) . Firstly, a rigid preprocess mold with the same geometry as the elastomeric structure 130 is created using standard 3D printing technology (for centimeter-and decimeter-scale EEM motors) or photolithography (for millimeter-scale EEM motors) . By filling the preprocess mold with elastomeric material, such as PDMS, and curing it, a soft PDMS negative mold can be obtained in the first molding process. Subsequently, the negative mold is coated with a silane layer (CAS number: 78560-45-9) to modify the PDMS mold surface. After that, we cure PDMS again in the modified PDMS negative mold to form the desired elastomeric structure 130.

[0064] S340, housing the magnetized hard magnet 110 and the electrical coil 120 with the soft magnets 121 in the top chamber 131 and the bottom chamber 132 of the elastomeric structure 130 respectively.

[0065] In this embodiment, by means of the above steps, the elasto-electromagnetic actuator 200 can be obtained as shown in C of FIG. 8, with dimension given as 7.4 mm × 5.8 mm × 12 mm.

[0066] The actuation characteristics of the elasto-electromagnetic actuator (or EEM motor) can be precisely tailored by modifying parameters of the flexure linkage 133. This customization achieves EEM motors in monostable or bistable states, or with smooth actuation (Figs. 9a-9c) . Notably, the bistable state EEM motor plays a pivotal role in drastically reducing power consumption during actuation-acritical advantage for untethered, insect-sized robots where energy efficiency is paramount. Fig. 10a illustrates the significant advantages of the centimeter-scale bistable state EEM motors, weighing 0.8 g, which include: (1) Large output force –the EEM motor delivers a maximum force up to 0.38 N, matching the output forces typical of similar-sized animals (Fig. 10b) , and a large deformation stroke, achieving 30%of the overall height. (2) Low power consumption –the bistable state EEM motor consume only 2.3%, 4.7%, 11.3%, 21.2%, and 38.4%of the power required for a full-stroke actuation compared to a monostable state EEM motor of the similar size at frequencies of 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz and 20 Hz, respectively. This energy efficiency is due to the motor’s ability to remain at the full-stroke position without energy input, unlike the monostable state EEM motor that requires sustained energy input to maintain position. Remarkably, at 1 Hz, the bistable consumes only 38 mW. (3) High frequency and low operation voltage -the motor responses efficiently to high frequencies up to 60 Hz with full deformation stroke under a voltage range of 0 -4V. (4) Large deformation -the deformation angle is programmable via linkage design, with a maximum achievable deformation angle of up to 65o, enabling versatile locomotive capabilities. (5) Durability and impact resilience –the motor’s impact resilience and durability are confirmed by its sustained performance after a 30-meter drop and more than 4 million cycles without performance degradation. The EEM motor’s ability to deliver large output forces and actuation strokes significantly surpasses existing system for autonomous insect-scale robots (< 4 cm) , as evidenced in Fig. 10b, wherein number in parentheses “ (29) ” refers to non-patent document “X. Ji et al., An autonomous untethered fast soft robotic insect driven by low-voltage dielectric elastomer actuators. Science Robotics 4, eaaz6451 (2019) . ” , number in parentheses “ (31) ” refers to non-patent document “J. Ko et al., High-performance electrified hydrogel actuators based on wrinkled nanomembrane electrodes for untethered insect-scale soft aquabots. Science Robotics 7, eabo6463 (2022) . ” , number in parentheses “ (32) ” refers to non-patent document “N. Hu, B. Li, R. Bai, K. Xie, G. Chen, A torsion-bending antagonistic Bistable actuator enables untethered crawling and swimming of miniature robots. Research 6,  0116 (2023) . ” , number in parentheses “ (33) ” refers to non-patent document “Z. Miao et al., Power Autonomy and Agility Control of an Untethered Insect-Scale Soft Robot. Soft Robotics 10, 749-759 (2023) . ” , number in parentheses “ (34) ” refers to non-patent document “J. Liang et al., Electrostatic footpads enable agile insect-scale soft robots with trajectory control. Science Robotics 6, eabe7906 (2021) . ” , and number in parentheses “ (36) ” refers to non-patent document “Z. Liu et al., A wireless controlled robotic insect with ultrafast untethered running speeds. Nature Communications 15, 3815 (2024) . ” . These advancements make a pivotal contribution to constructing practical insect-scale soft robots capable of overcoming environmental resistance and producing efficient locomotion gaits.

[0067] In an embodiment, the EEM actuator can be designed to millimeter-scale, centimeter-scale and decimeter-scale. Leveraging 2D molding technology, the centimeter-scale bistable state EEM actuator (EEM motor) can be efficiently scaled to both millimeter and decimeter dimensions using a similar molding method. The millimeter-scale motor, measuring 2.4 mm × 2 mm × 1 mm involves a straightforward construction using a cuboid NdFeB magnet and a coil made from 0.06 mm diameter copper wire, wound using a NITTOKU winding machine. This motor operates efficiently between two stable states, consuming only 0.43 mW of power at 1 Hz. Similarly, the decimeter-scale motor, measuring 1.05 dm × 0.5 dm × 0.7 dm, is fabricated using standard 3D printing for its mold, demonstrating the EEM motor’s flexibility in scaling. It transitions smoothly between two states and showcases significant energy efficiency, with a power consumption of 1.8 W at 1 Hz and a maximum delivery force of 27 N. Unlike conventional electric motors, which require costly planetary or harmonic reducers to synchronize rotational speeds between the motors and the robot’s end-effectors, the soft EEM motor is directly designed to drive end-effector motion. This attribute presents a cost-effective alternative for large scale robotics, offering substantial benefits in terms of both performance and scalability, making it a valuable addition to various robotic applications where size, flexibility and power efficiency are critical.

[0068] The flexure linkage 133 of the soft EEM actuator has been adeptly extended to develop two types of actuation joints, namely a translational actuation joint for contracting motions and a rotational actuation joint for flapping motions. Thanks to the inherent advantages of the EEM motors, these joints are designed with bistable states,  significantly minimizing power consumption (38 mW at 1 Hz of motion with current input of 1.6 A) , while capable of high frequency operations up to 60 Hz. By leveraging these advanced actuation joints, we have created a range of autonomous soft robots at the insect scale, showcasing exceptional actuation efficiency and energy efficacy.

[0069] The autonomous insect-scale robot

[0070] Inspired by the efficient locomotive mechanisms of terrestrial insects, an autonomous insect-scale robot is developed. Fig. 11 shows the block diagram of the configuration of the autonomous insect-scale robot. In Fig. 11, the autonomous insect-scale robot 400 comprises the elasto-electromagnetic actuator 200, a power source 410 for supplying current for the electrical coil 120; and a control circuit 420 configured to control the power source 410 to supply the current to the electrical coil 120 to control deformation of the elastomeric structure 130, so as to contrl the rotational motion of the flexure linkage 133.

[0071] In an embodiment, the autonomous insect-scale robot 400 is implemented as an inchworm crawler. In the autonomous insect-scale robot 400 as shown by Fig. 12a, it comprises a power source 410, a control circuit 420 and an EEM actuator 200 detailed in Fig. 12b. As shown by Fig. 12b, the elastomeric structure 130 of the EEM actuator 200 further comprises a translational actuation joint 136 for contracting motion and expanding motion, the translational actuation joint 136 is disposed at a side of the magnetized hard magnet 110 opposite to the electrical coil 120 and both ends thereof are connected to the flexure linkages 133 at both sides; wherein the rotational motion of the flexure linkage 133 causes contracting and expanding of the translational actuation joint 136, realizing contracting-expanding type of translational inchworm crawling of the autonomous insect-scale robot 400 in the two-dimensional plane. That is, the inchworm crawling motion is achieved by sequentially contracting and expanding the soft body of the crawler, similar to a caterpillar. Further, the control circuit 420 (Fig. 12a) is configured to vary the current, supplied by the power source 410 (such as a 3.7 V lithium-ion battery (ZONCELL, 30 mAh) ) , flowing through the electrical coil 120 to regulate contracting-expanding frequency of the translational actuation joint 136, so as to regulate inchworm crawling speed of the autonomous insect-scale robot 400.

[0072] In addition, the elastomeric structure 130 further comprises a power source cavity 411 for accommodating the power source 410, as shown in Fig. 12b.

[0073] Specifically, further referring to Fig. 12b, the translational actuation joint 136 includes: a first linkage group 137 and a second linkage group 138 symmetrically distributed about an axis of the magnetized hard magnet 110; and an intermediate linkage 139 connecting the first linkage group 137 and the second linkage group 138. The first linkage group 137 includes a first linkage 137A and a second linkage 137B, one end of the first linkage 137A is connected to the flexure linkage 133, the other end is connected to one end of the second linkage 137B, and the other end of the second linkage 137B is connected to one end of the intermediate linkage 139. The configuration of the second linkage group 138 is the same as that of the first linkage group 137. The connecting ends of the first linkage 137A and the second linkage 137B are closer to the axis of the magnetized hard magnet 110 than the other ends thereof.

[0074] It is appreciated that the translational actuation joint 136 can be a component separated and independent from the elastomeric structure 130. Alternatively, translational actuation joint 136 can also be formed, with elastic materials, integrally with the elastomeric structure 130 using the frabrication method 300 in Fig. 7.

[0075] The developed autonomous insect-scale robot can have the smallest size of its kind, with dimensions of 16mm × 10mm ×10mm and a weight of only 1.8g. A standout feature of this untethered and autonomous soft crawler is its ability to generate a large output force of up to 0.41 N, significantly surpassing the typical 0.009-0.05 N force range of existing autonomous insect-scale soft crawler. This enhanced force capability greatly improves the crawler’s ability to overcome environmental resistance. The autonomous soft crawler exhibits exceptional adaptability across a variety of surfaces, including glass, wood, PVC and stone, with roughness measurements of 5μm, 15.2μm, 84.8μm, and 650.4μm, respectively. The crawler’s versatility extends to outdoor soil environments, underscoring its potential for practical applications such as agricultural monitoring, search and rescue operations, or environmental surveillance when designated sensors are integrated. Additionally, leveraging the EEM motor’s capability for large deformation, each crawling stride of the robot covers 36%of its body length at a frequency of 1 Hz. This performance significantly outstrips that of existing piezoelectric- based crawlers, which achieve only 0.17%-0.6%of body length per stride, and electroactive-based crawler which achieves 25 %at a much lower actuation frequency of 0.05 Hz. Despite these advancements, the crawler’s power consumption remains remarkably low at just 79 mW at 1 Hz, compared to 253 mW to 550 mW required for other soft crawling robots of similar size. The crawler’s speed increases with the actuation frequency, achieving speeds of 4.3 mm / sat 0.67 Hz, 5.8 mm / sat 1 Hz, 7.1 mm / sat 2 Hz, 10.8 mm / sat 3 Hz, and 16.5 mm / sat 5 Hz. The operational duration powered by a 30 mAh battery, is experimentally evaluated and presented in Fig. 12a. Notably, the operating time shows an inverse relationship with the frequency, where the crawler operates for over one hour at a 0.67 Hz actuation frequency.

[0076] Preferably, to enhance crawling efficiency, as shown by Fig. 12a, an additional crawling leg 430 can be attached at a bottom surface of the elastomeric structure 130, amd the additional crawling leg 430 is designed specifically to enhance frictional differences during its contraction and expansion phases.

[0077] Similar to many insects, such as ants, which can survive high falls due to their small body mass relative to their surface area, a phenomenon explained by the square-cube law, the soft crawler demonstrated remarkable resistance to high falls. After a 30-meter drop test, the soft crawler exhibited no obvious damage and maintained full functions. This resilience is attributed not only to its lightweight but also to its construction using soft materials.

[0078] In an embodiment, to further enhance its navigation capabilities, the integrated electrical coil 120 within the EEM actuator 200 is modified to include two sets of sub-electrical coils 420A independently controlled as shown by Fig. 13. Correspondingly, the control circuit 420 comprises two sub-control circuits individually controlling corresponding sub-electrical coil, thereby allowing for directional actuation of the autonomous insect-scale robot 400. Of course, these two sets of sub-electrical coils can be controlled by one single control circuit 420.

[0079] By actively controlling the current input to have different values in each coil, a magnetic force differential is created, causing the contraction and expansion to incline to one side of the robot. This allows the crawler to turn left or right while crawling. Each of the independent coils is approximately half the size of the previously  used integrated coil, so the overall size of the crawler with directional capabilities remains unchanged, preserving its compact form. That is, this modification, combined with a control circuit 420 to individually control these two sets of sub electrical coils, allows for directional crawling without increasing the robot’s size, providing substantial improvements in maneuverability.

[0080] In another embodiment, the elastomeric structure 130 further comprises a rotational actuation joint for flapping motion, and the rotational actuation joint is connected to an end of the flexure linkage 133 away from the magnetized hard magnet 110. The rotational actuation joint is configured to flap in response to rotation of the flexure linkage 133. The control circuit 420 is configured to vary the current flowing through the electrical coil 120 to regulate flapping frequency of the rotational actuation joints to regulate a moving speed of the autonomous insect-scale robot 400.

[0081] Inspired by terrestrial insects with articulated legs, based on the rotational actuation joint for flapping motion, the legged crawlers that utilize rotational EEM actuation joints for movement are designed.

[0082] In an embodiment, the autonomous insect-scale robot 400 is implemented as a legged crawler. In the autonomous insect-scale robot 400 as shown by Fig. 14a, it comprises a power source 410, a control circuit 420 and an EEM actuator 200. As shown by Figs. 14a-14b, the rotational actuation joint can be implemented as legged crawling joint 140. In these figures, the legged crawling joint 140 is configured as a piece which defines a hole 141 thereon for sleeve-connecting an end of the flexure linkage 133 away from the magnetized hard magnet 110 and has a tip 142 for contacting a ground surface (Fig. 14c) . The legged crawling joint 140 extends in a thickness direction of the robot, and the tip of the joint hits the ground surface, such that autonomous insect-scale robot 400 is angled with the ground surface by means of the legged crawling joint 140. In this configuration, the attached joints (legs) have two main functions: 1) providing a friction difference when moving forward (small friction) and backwards (large friction) ; 2) the joints make the robot in a inclined position, resulting an impact force when the legs hit the ground. This design employs rotational motion to move the legs forwards and backwards and incorporate the geometry difference to adjust the friction to achieve effective displacement during each stride.

[0083] It is appreciated that the legged crawling joint 140 can be a component separated and independent from the elastomeric structure 130. Alternatively, the legged crawling joint 140 can also be formed, with elastic materials, integrally with the elastomeric structure 130 using the frabrication method 300 in Fig. 7.

[0084] Besides, the elastomeric structure 130 also comprises a power source cavity 411 for accommodating the power source 410, as shown in Fig. 14b.

[0085] Measuring 14 mm × 20 mm × 9 mm and weighing just 1.9 g, this legged crawler moves 42%of its body length per stride and demonstrates excellent adaptability across diverse surfaces, including PVA plate and navigating outdoor soil. The robot’s actuation frequency is adjustable, allowing for varying speeds to suit different terrains and tasks. It achieves crawling speeds of 5.9 mm / sat a frequency of 1 Hz, 10.4 mm / sat 2 Hz, and 21.8 mm / sat 4 Hz, showcasing its capability to operate efficiently under different operational conditions.

[0086] In another embodiment, the autonomous insect-scale robot can be implemented as a swimmer robot. In the autonomous insect-scale robot 400 as shown by Fig. 15a, it comprises a power source (enclosed and not shown) , a control circuit 420 and an EEM actuator 200. Besides, the elastomeric structure 130 is coupled with at least one buoyancy part 440, fromed from enclosed boxes made by PDMS, enabling the autonomous insect-scale robot 400 to float on a water surface. In the embodimemt shown in this figure, the buoyancy parts 440 are coupled on the bottom surface of the elastomeric structure 130, in order to ensure stable flotage of the robot on the water surface.

[0087] In addition, the rotational actuation joint can be implemented as swimming joint 150. In Figs. 15a-15b, the swimming joint is configured as a flat piece, an end of which is coupled with an end of the flexure linkage 133 away from the magnetized hard magnet 110. The swimming joint can extend outwardly from the connection point between the joint and the flexure linkage 133. Preferally, a width of the swimming joint is substantially equal to a thickness of the elastomeric structure 130.

[0088] It is appreciated that the swimming joint 150 can be a component separated and independent from the elastomeric structure 130. Alternatively, the swimming joint 150 can also be formed, with elastic materials, integrally with the elastomeric structure 130 using the frabrication method 300 in Fig. 7.

[0089] Besides, the elastomeric structure 130 also comprises a power source cavity 411 for accommodating the power source 410, as shown in Fig. 15b.

[0090] The swimmer’s power source 410 is securely encased to prevent water damage, while the electronic control circuit 420, though not waterproofed, is positioned on top of the swimmer. Since the robot operates on the water surface, any adverse effects on the control circuit 420 is not observed. The swimming of one cycle is performed with a stride length measured to be 136%of its body length.

[0091] With such configuration, the swimming joint can flap on the water surface in response to rotation of the flexure linkage 133, thereby realizing swimming motion of the robot on the water surface.

[0092] The swimming robot demonstrates its capabilities in real-world environments, including river settings, showcasing its potential for practical applications such as environmental surveillance. This robot represents the smallest soft swimmer capable of autonomously navigating open-field environments. In a river scenario, the robot achieves a commendable swimming speed of 2.4 cm / sat a flapping frequency of a 0.67Hz. Impressively, it accomplishes this with remarkably low power consumption, utilizing just 53 mW. This efficiency enables continuous operation for up to one hour on a single battery charge (ZONCELL, 30mAh) , highlighting its practicality for targeted applications. The cost of transportation (COT) metric provides further insights into the efficiency of the soft insect-scale swimmer in open-field environment. Calculated as COT = P / mgv, where P represents power consumption, mg is the gravitational force, and v is velocity, the obtained value of 102 is four to eight times smaller than that of existing autonomous insect-scale soft swimmer, which have COT values ranging from 432 to 878.

[0093] Additionally, similar to the crawler, to enable directional swimming, the single electrical coil 420 can include two set of independent sub-electrical coils 420A, as shown in Fig. 15c. By applying different currents to the two sets of sub-electrical coils, an off-center axis magnetic force would be induced such that the flapping motion of the swimmer’s two sides would have be different, creating a torque that turns the robot body to the left or right. Additionally, the earth’s magnetic field interacts with the hard magnet, producing a restoring torque when the swimmer deviates from the magnetic field direction. To counteract this effect and ensure precise directional swimming, a dummy  magnet 450 with an opposite magnetic orientation to neutralize the influence of the earth’s magnetic field is integrated as shown in Fig. 15c.

[0094] Jumping locomotion has long been valued in the robotic community for its potential to overcome barriers equal to or greater than the robot’s own size. However, achieving instantaneous high-energy output necessary for such jumps presents a significant challenge for actuation systems in autonomous insect-scale robots. As a result, many current jumping robots at this scale are either tethered, or rely on external fields for power. As indicated by Fig. 5b, a step transition of the elastomeric structure from the non-equilibrium state to the equilibrium state or between any two of the multiple equilibrium states can produce a large energy release for enhancing dynamic performance, such as enabling a jumping motion, and a control circuit can vary the current flowing through the electrical coil to regulate juming height of the autonomous insect-scale robot and to realize continuous jumping. Leveraging the energy release property of our EEM actuation system (shown in Fig. 5b) , a smallest known insect-scale jumping robot is developed by reversing the EEM actuator 200 as described above as shown in Fig. 16, measuring just 15 mm × 9 mm × 12 mm in size and 1.7 g in weight. Operating untethered and autonomously, this robot is equipped with its own power source and control circuit. A significant advantage of the soft jumper is its ability to perform continuous jumps, a substantial advancement over existing small-scale jumpers. The robot has achieved jumps approximately equal to one body height, which can be further optimized by considering the EEM actuator’s elastic structure and the complex interactions between the robot and ground upon impact.

[0095] In an embodiment, as a prototyping application, the autonomous insect-scale robot 400 is equipped with sensors to enable advanced functionalities.

[0096] For example, a temperature and humidity sensor is integrated into the small soft crawler to detect temperature and humidity of an environment where the autonomous insect-scale robot is located. To demonstrate its signal detection capabilities, a synthetic environment with two chambers, A and B, is created. Chamber A’s humidity was increased by heating a water tank, creating a high-humidity environment, while chamber B was cooled with ice blocks to create a low-temperature environment. Then, the insect-scale crawler is directed to navigate through constrained pathways and access the  chambers through narrow openings. Upon entering these chambers, the crawler successfully sensed the environmental signals and transmitted the humidity and temperature data via an infrared transmitter. This demonstration underscores the potential of autonomous insect-scale robots for signal detection and data transmission in complex and constrained environments.

[0097] While this prototype utilizes the temperature and humidity sensors, the integration approach is versatile, allowing for the inclusion of other types of physical sensors tailored to different targeted applications. This adaptability opens up a wide range of possibilities for deploying these robots in scenarios such as environmental monitoring, hazard detection, and more. For example, an ethanol gas sensor is integrated into the small soft crawler to detect ethanol gas level of an environment where the autonomous insect-scale robot is located.

[0098] This disclosure introduces the elasto-electromagnetic (EEM) actuation system, a scalable soft actuator characterized by significant output force, large deformation, rapid response, low voltage operation, low power consumption, and high impact resistance. Insect-scale soft robots equipped with the EEM actuator achieve various deformation modes, including crawling, legged crawling, swimming, and jumping, demonstrating superior performance, capable of navigating real-world environments. The integration of sensors into these robots further underscore their potential for board applications, marking a significant step towards pioneering the next generation of autonomous insect-scale soft robots.

[0099] Currently, the autonomous insect-scale soft robots demonstrated in this study are limited to the centimeter scale, primarily due to the limitation posed by the size of available power source (battries) and control circuits. However, with the EEM motor’s capability to scale down to the millimeter scale while only consuming 0.43 mW of power, pending advancements in miniaturization of power source and control circuit technologies, there exists a feasible path to construct autonomous millimeter-scale soft robots, which would find much broader applications, even in biomedical scenarios. At scales smaller than a millimeter, however, additional challenges such as thermal expansion and electrostatic effects may surface to influence motor performance.

[0100] The locomotion and behavior of the autonomous insect-scale soft robots can be programmed via the control circuit’s microchip. With environmental sensing capabilities, these robots have the potential to become more intelligent and responsive to their surroundings, much like natural animals, through advanced algorithms. Additionally, their ability to receive and transmit signals makes mutual communication among multiple units feasible, enabling swarm control. Collectively, these insect-scale robots can extend their detection range, enhance efficiency, and improve decision-making through swarm intelligence. Although the current study primarily focuses on the novel actuation system itself, the impressive performance of the EEM system, particularly its large output force and stroke, lays a solid foundation for future work on developing autonomous intelligent insect-scale robots and swarms.

[0101] The present disclosure reveals the vast potential of the EEM actuation system to empower autonomous insect-scale robots, though the locomotion performance of each robot prototype is not yet optimized. There are clear avenues for enhancement. For instance, the additional leg of the inchworm-like crawler can be refined to improve robustness and prevent the robot from getting stuck on overly rough terrains or obstacles or holes exceeding 30%of its height. Similarly, the design of the jumping robot could be optimized to increase jumping height and enable directional control. Despite these current limitations, the substantial output force and actuation stroke achieved by the developed robots highlights the promising prospects of the EEM actuation system in creating a range of high-performance autonomous insect-scale soft robots.

[0102] The above description is intended to be illustrative and not limiting. For example, the above-mentioned examples (or one or more solutions thereof) may be used in combination with each other. For example, those of ordinary skill in the art may use other embodiments when reading the above-mentioned description. In addition, in the above-mentioned specific embodiments, various features may be grouped together to simplify the present disclosure. This should not be interpreted as an intention that features of the disclosure that do not require protection are necessary for any of the claims. Rather, the subject matter of the present disclosure may be less than the full range of features of a particular disclosed embodiment. Therefore, the following claims are incorporated herein as examples or embodiments in the particular embodiment, each claim stands alone as a separate embodiment,  and it is contemplated that these embodiments may be combined with each other in various combinations or permutations. The scope of the present disclosure shall be determined by reference to the full scope of the appended claims and equivalent forms to which these claims are entitled.

[0103] The above embodiments are only exemplary embodiments of the present disclosure, and are not used to limit the present disclosure. The scope of protection of the invention is defined by the claims. Those skilled in the art can make various modifications or equivalent substitutions to the invention within the essence and protection scope of the disclosure, and such modifications or equivalent substitutions should also be regarded as falling within the protection scope of the invention.

Claims

1.An elasto-electromagnetic actuation system, comprising:a magnetized hard magnet;an electrical coil, soft magnets being integrated in an inner space defined by the electrical coil; a magnetic force exists between the magnetized hard magnet and the soft magnets, an electromagnetic force is generated between the magnetized hard magnet and the electrical coil in a case where a current is applied in the electrical coil, the current in the electrical coil is positively correlated with the electromagnetic force, and a combined force of the magnetic force and the electromagnetic force constitutes an attraction force; andan elastomeric structure containing an annular cavity, the magnetized hard magnet and the soft magnets are respectively connected to opposoite ends of the elastomeric structure, such that the elastomeric structure is capable of deforming under the attraction force to generate an elastic force;wherein the elastomeric structure with the magnetized hard magnet and the soft magnets can have one or multiple equilibrium states, and different equilibrium states correspond to different geometries of the elastomeric structure; in each equilibrium state, the attraction force and the elastic force together enable the annular cavity to maintain the current shape;wherein the elastomeric structure is configured to be able to, in response to varying of the current flowing through the electrical coil, transition between a non-equilibrium state and the equilibrium state, or between any two of multiple equilibrium states, thus realizing a linear actuation between the magnetized hard magnet and the soft magnets.2.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the elastomeric structure has one single equilibrium state, and is configured to enter the non-equilibrium state in response to current flowing through the electrical coil, and returns from the non-equilibrium state to the equilibrium state in response to the current stopping flowing through the electrical coil.3.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the elastomeric structure has at least two equilibrium states, and is configured to transition between two equilibrium states in  response to varying of the current flowing through the electrical coil, the current required dependent on specific elastomeric structure of the system;wherein the elastomeric structure is configured to maintain current equilibrium state when the electric current is stopped from flowing in the equilibrium state.4.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 2 or 3, wherein the varying of the current includes the varying of current direction and current magnitude.5.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the soft magnets include multiple soft magnetic spheres with a same diameter.6.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the annular cavity is of symmetrical structure.7.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the magnetized hard magnet is made of N52 grade NdFeB.8.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the soft magnets are made of pure iron.9.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein the elastomeric structure is made of elastic materials.10.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 9, wherein the elastomeric structure is made of polydimethylsiloxane.11.The elasto-electromagnetic actuation system of claim 1, wherein a stroke of the linear actuation is 60%of a height of the elasto-electromagnetic actuation system.12.An elasto-electromagnetic actuator comprising the elasto-electromagnetic actuation system of any of claims 1-11, wherein the magnetized hard magnet is housed in a top chamber disposed at the top of the elastomeric structure, and the electrical coil with the soft magnets is housed in a bottom chamber disposed at the bottom of the elastomeric structure;wherein the elastomeric structure at each side further comprises a flexure linkage connecting an outer wall of the top chamber of the elastomeric structure and a corresponding side wall of the elastomeric structure, so as to convert the linear actuation between the magnetized hard magnet and the soft magnets into a rotational motion of the flexure linkage in a two-dimensional plane.13.A fabrication method of the elasto-electromagnetic actuator of claim 12, comprising:winding the electrical coil with a winding machine, thereby defining a soft magnets cavity in the inner space;fixedly positioning the soft magnets in the soft maegets cavity;manufacturing the elastomeric structure using a two-step molding method; andhousing the magnetized hard magnet and the electrical coil with the soft magnets in the top chamber and the bottom chamber of the elastomeric structure respectively.14.The fabrication method of claim 13, wherein manufacturing the elastomeric structure using a two-step molding method comprisingproviding a preprocess mold with the same geometry as the elastomeric structure;filling elastomeric material in the preprocess mold and curing to obtain an elastomeric material negative mold; andcoating a silance layer on a surface of the negative mold to modify the surface, obtaining the elastomeric structure.15.An autonomous insect-scale robot comprising:the elasto-electromagnetic actuator of claim 12;a power source for supplying current for the electrical coil; anda control circuit configured to control the power source to supply the current to the electrical coil to control deformation of the elastomeric structure, so as to contrl the rotational motion of the flexure linkage.16.The autonomous insect-scale robot of claim 15, wherein the elastomeric structure further comprises a translational actuation joint for contracting motion and expanding motion, the translational actuation joint being disposed at a side of the magnetized hard magnet opposite to the electrical coil and both ends thereof being connected to the flexure linkages at both sides; wherein the rotational motion of the flexure linkage causes contracting and expanding of the translational actuation joint, realizing contracting-expanding type of translational inchworm crawling of the autonomous insect-scale robot in the two-dimensional plane;wherein the control circuit is configured to vary the current flowing through the electrical coil to regulate contracting-expanding frequency of the translational actuation joint, so as to regulate crawling speed of the autonomous insect-scale robot.17.The autonomous insect-scale robot of claim 16, wherein the translational actuation joint includes:a first linkage group and a second linkage group symmetrically distributed about an axis of the magnetized hard magnet; andan intermediate linkage connecting the first linkage group and the second linkage group;wherein each of the first linkage group and the second linkage group includes a first linkage and a second linkage, one end of the first linkage is connected to the flexure linkage, the other end is connected to one end of the second linkage, and the other end of the second linkage is connected to one end of the intermediate linkage;wherein the connecting ends of the first linkage and the second linkage are closer to the axis of the magnetized hard magnet than the other ends thereof.18.The autonomous insect-scale robot of claim 16, the elastomeric structure at each side further comprises a rotational actuation joint for flapping motion, the rotational actuation joint being connected to an end of the flexure linkage away from the magnetized hard magnet;wherein the rotational actuation joint is configured to flap in response to rotation of the flexure linkage;wherein the control circuit is configured to vary the current flowing through the electrical coil to regulate flapping frequency of the rotational actuation joints to regulate a moving speed of the autonomous insect-scale robot.19.The autonomous insect-scale robot of claim 18, the elastomeric structure is coupled with a buoyancy part enabling the autonomous insect-scale robot to float on a water surface, thereby realizing a swimming motion of the autonomous insect-scale robot on the water surface.20.The autonomous insect-scale robot of claim 18, wherein the rotational actuation joint extends in a thickness direction of the autonomous insect-scale robot, such that the autonomous insect-scale robot is angled with a ground surface by means of the rotational actuation joint, realizing legged crawling of the autonomous insect-scale robot on the ground surface through varying of the current.21.The autonomous insect-scale robot of claim 15, wherein a step transition of the elastomeric structure from the non-equilibrium state to the equilibrium state or between any two of the multiple equilibrium states allows for a jumping motion of the autonomous insect-scale robot;wherein the control circuit is configured to vary the current flowing through the electrical coil to regulate juming height of the autonomous insect-scale robot and to realize continuous jumping.22.The autonomous insect-scale robot of claim 15, further comprising a temperature and humidity sensor configured to detect temperature and humidity of an environment where the autonomous insect-scale robot is located.23.The autonomous insect-scale robot of claim 15, further comprising an ethanol gas sensor configured to detect ethanol gas level of an environment where the autonomous insect-scale robot is located.24.The autonomous insect-scale robot of claim 15, wherein the electrical coil comprises two sets of sub-electrical coil, and the control circuit comprises two sub-control circuits individually controlling corresponding sub-electrical coil, thereby allowing for directional actuation of the autonomous insect-scale robot.25.The autonomous insect-scale robot of claim 16, wherein the size of the autonomous insect-scale robot is in the centimeter range.

Images