Choreographing the Way of Water: A Computational Framework for Aquatic Robotic Art
作者: Aswin Ramachandran, Christopher Golling, Sebastian Burmester, Noa Sendlhofer, Jan Kamm, Ruiheng Jiang, Raffaello D'Andrea
分类: cs.RO, cs.HC
发布日期: 2026-07-02
备注: Video: https://youtu.be/G4cM6xbG7PA
💡 一句话要点
提出水上机器人编排框架以应对流体动力学挑战
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 水上机器人 流体动力学 编排框架 网络物理系统 艺术表演 轨迹生成 模型预测控制 非线性系统
📋 核心要点
- 现有水上机器人编排方法受到流体动力学的复杂性和环境干扰的影响，难以实现高效的协作与表现。
- 本文提出的“水之道”框架通过网络物理架构和时间线合成创作工具，简化了水上机器人编排的过程。
- 在两个实际部署中验证了系统的有效性，展示了其在艺术表演中的应用潜力，提升了水上机器人编排的可访问性。
📝 摘要（中文）
水上机器人的编排受到非线性流体动力学的影响，面临环境干扰和系统动态的挑战。本文提出了“水之道”的网络物理架构，这是一个垂直集成的框架，能够协调一组自主表面船只，作为分布式编排平台。这些船只通过层流喷嘴和多区域照明，扩展了其表现范围，从二维水面延伸至三维体积域。主要贡献是“水之道工作室”，一个基于浏览器的时间线合成创作范式，将船队视为类似数字音频工作站的乐器，便于非程序员艺术家进行音乐响应的编排。系统在两个不同的部署中进行了验证，建立了流体机器人群体设计和部署的基础参考。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决水上机器人编排中由于非线性流体动力学和环境干扰带来的挑战，现有方法难以实现高效的协作和表现。
核心思路：提出“水之道”框架，通过网络物理架构和时间线合成工具，允许艺术家以更直观的方式编排水上机器人，降低技术门槛。
技术框架：整体架构包括自定义的全向底盘、针对水域调优的状态估计和控制堆栈，以及通过LTE/MQTT实现的船队链接和RTK-GPS时间同步。主要模块包括轨迹生成和干扰抑制。
关键创新：最重要的技术创新是“水之道工作室”，它将船队视为数字音频工作站的乐器，允许非程序员艺术家进行音乐响应的编排，突破了传统编排工具的限制。
关键设计：系统采用顺序凸优化进行轨迹生成，利用模型预测控制实现干扰抑制，设计了可视化时间线界面，使得用户能够直观地进行编排。关键参数和控制策略经过精心调优，以适应水上环境的复杂性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在两个实际部署中，系统成功实现了18艘船只在苏黎世湖的《天鹅湖》演绎和8艘船只在威尼斯双年展的《时间空间存在2025》展示，验证了其在复杂水域环境中的有效性和表现力，建立了流体机器人群体设计的基础参考。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括艺术表演、环境监测和水上运输等。通过简化水上机器人编排的过程，非程序员艺术家能够更容易地利用这一技术进行创作，推动水上艺术表演的发展。此外，该框架也可应用于其他需要协调多个机器人协作的场景，具有广泛的实际价值和未来影响。
📄 摘要（原文）
Robotic choreography in open water is governed by nonlinear fluid dynamics, which impose significant challenges due to environmental disturbances and nonlinear system dynamics. This paper presents the cyber-physical architecture of Way of Water, a vertically integrated framework that orchestrates a fleet of autonomous surface vessels as a distributed choreographic platform. Moving beyond the surface-pixel paradigm, these vessels use laminar nozzles and multi-zone lighting to extend their expressive range from the 2D water plane into the 3D volumetric domain. Our primary contribution is the Way of Water Studio, a browser-based, timeline-compositing authoring paradigm that treats the fleet as a DAW-like instrument for music-responsive choreography. The Studio encapsulates Sequential Convex Programming for trajectory generation and Model Predictive Control for disturbance rejection presented through a visual timeline, broadening access to high-performance aquatic robotics for non-programmer artists. Grounding the Studio is the full cyber-physical stack: a custom holonomic chassis, a state-estimation and control stack tuned for the aquatic domain, and an LTE/MQTT fleet link with RTK-GPS time synchronization. We report on the system's validation across two distinct deployments: an 18-vessel Swan Lake interpretation at Lake Zurich and an 8-vessel Time Space Existence 2025 Venice Biennale demonstration at Forte Marghera, establishing a foundational reference for the design and deployment of fluidic robotic swarms.