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: 2026-07-05
💡 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 编排平台 艺术创作 模型预测控制 多机器人系统 网络物理系统 顺序凸优化
📋 核心要点
- 现有的水上机器人编排方法受到非线性流体动力学的限制，难以应对环境干扰和系统动态变化。
- 提出的解决方案是一个名为“水之道”的框架，利用层流喷嘴和多区照明，扩展机器人的表现能力，并提供易用的创作工具。
- 通过在两个不同场景中的实际部署，验证了系统的有效性，展示了其在艺术编排中的应用潜力。
📝 摘要（中文）
水上机器人的编排受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，旨在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”，一种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。工作室结合了顺序凸优化用于轨迹生成和模型预测控制以抵御干扰，并通过可视化时间线呈现，降低了高性能水上机器人技术的门槛。我们在两个不同的部署中验证了系统的有效性，分别是在苏黎世湖的18艘船只的天鹅湖演绎和在威尼斯双年展的8艘船只的时间空间存在2025演示，奠定了流体机器人群体设计与部署的基础参考。
🔬 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导致的环境干扰和系统动态变化的问题。现有方法往往难以有效应对这些挑战，限制了水上机器人在艺术编排中的应用。
核心思路：论文提出了“水之道”的网络物理架构，旨在通过协调一组自主表面船只，形成一个分布式的编排平台。该平台利用层流喷嘴和多区照明技术，扩展了机器人的表现范围，使其能够在三维空间中进行更丰富的艺术表现。
技术框架：整体架构包括一个定制的全向底盘、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。工作室作为创作工具，结合了顺序凸优化和模型预测控制，提供可视化的时间线界面。
关键创新：最重要的创新点在于“水之道工作室”，它将船队视为类似数字音频工作站的乐器，降低了高性能水上机器人技术的使用门槛，使非程序员艺术家能够轻松进行编排。
关键设计：关键设计包括顺序凸优化用于轨迹生成，模型预测控制用于干扰抑制，以及通过可视化时间线呈现的用户友好界面。这些设计使得系统在复杂环境中仍能保持高效的表现。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
在实验中，系统在苏黎世湖的18艘船只演绎和威尼斯双年展的8艘船只演示中表现出色，成功实现了复杂的编排效果。这些实验验证了系统的有效性，并为流体机器人群体的设计和部署提供了基础参考。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括艺术表演、环境监测和水上娱乐等。通过提供易于使用的编排工具，非程序员艺术家可以利用水上机器人进行创新的艺术创作，推动水上表演艺术的发展。此外，该框架也可用于其他需要协调多机器人系统的场景，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.