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Choreographing the Way of Water: A Computational Framework for Aquatic Robotic Art

本論文では、高度な制御アルゴリズムと表現力豊かな流体および照明効果を組み合わせることで、プログラミング知識を持たないアーティストが自律型水上船舶の艦隊を複雑な3D水中パフォーマンスへと振り付けすることを可能にする、垂直統合型のサイバーフィジカル・フレームワークおよびブラウザベースのオーサリングツールである「Way of Water」を紹介する。

原著者： Aswin Ramachandran, Christopher Golling, Sebastian Burmester, Noa Sendlhofer, Jan Kamm, Ruiheng Jiang, Raffaello D'Andrea

公開日 2026-07-03

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CC BY 4.0

原著者： Aswin Ramachandran, Christopher Golling, Sebastian Burmester, Noa Sendlhofer, Jan Kamm, Ruiheng Jiang, Raffaello D'Andrea

原論文は CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆または承認したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

湖の上に、ロボットボートのグループがいる様子を想像してみてください。ただ浮かんでいるのではなく、音楽に合わせて踊っているのです。彼らはただ動くだけではありません。空中に水の流れを噴射し、そこに色鮮やかな光を灯します。それは、水と光で作られた、まるで生きている絵画のような3Dショーを作り出します。これが「ウェイ・オブ・ウォーター（Way of Water）」プロジェクトです。

以下は、日常的な例えを用いた、このプロジェクトがどのように実現されたかの簡単な解説です。

1. 問題点：揺れる床の上でのダンス

通常、ロボットは固い地面や空中（ドローンなど）での移動には長けています。しかし、水は一筋縄ではいきません。それは、まるで誰かに床を揺らされている間にトランポリンの上で踊ろうとするようなものです。水には波、潮流、そしてボートをコースから押し戻そうとする風があります。もし単にロボットボートに「あそこへ行け」と命じるだけでは、水に流されてしまい、ダンスはめちゃくちゃなものになってしまうでしょう。

2. 解決策：「スマート」なボート

チームは、この芸術のために特別に設計されたボートを製作しました。

ボディ： 左右に曲がるだけの普通の舵（かじ）を持つボートとは異なり、これらのボートは「X」字型に配置された4つのプロペラを備えています。これは、体を回転させずに、横にスライドしたり、その場で回転したり、前進したりできるカニのようなものです。これにより、非常に機敏に動くことができます。
「噴水」アーム： 各ボートには、ガラスのように滑らかな水の流れを高さ6メートルまで噴射する特殊なノズルが付いています。この水流の中にはライトが入っています。つまり、ボートは単なる光ではなく、光り輝く動く水の柱となるのです。
バッテリー： 強力なバッテリーを搭載しており、10時間以上持続するため、ショーを夜通し続けることができます。

3. 頭脳：どのように同期を保つのか

ボートが完璧に同期して踊り続けるために、チームは2つの「頭脳」のトリックを使用しました。

GPSとジャイロスコープ： ボートは、たとえ水面が荒れていても、自分が正確にどこにいて、どちらを向いているかを（数センチ単位の精度で）把握しています。
「水晶玉」（予測制御）： 波が当たった時に反応するのではなく、ボートは「モデル予測制御（MPC）」と呼ばれるシステムを使用しています。これは、突風が吹くのを待ってから対処するダンサーではなく、風が吹く前にそれを予見して、あらかじめ風に向かって身を乗り出すダンサーのようなものです。これにより、水流は真っ直りと保たれ、隊列は崩れません。
衝突回避： ショーが始まる前に、コンピュータがすべてのボートの経路を計算し、たとえ進路が交差する場合でも決して衝突しないようにします。これは、18台の車が衝突しないようにルートを計画する交通管制官のようなものです。

4. スタジオ：ロボットのための「音楽ソフトウェア」

最大の革新は、Way of Water Studioです。

従来の方法： 以前は、これらのロボットを踊らせるには、プログラマーである必要がありました。コードを書き、シミュレーションを実行し、正しく見えるか確認し、またコードを修正するという作業が必要でした。これは時間がかかり、困難な作業でした。
新しい方法： このスタジオは、ミュージシャンが使う音楽ソフトウェア（GarageBandやAbleton Liveなど）のような見た目をしています。
- タイムライン： タイムラインと「トラック」が見えます。
- トラック： 動きを制御するトラック（例：「円を描く」「左へ移動する」）、ライトを制御するトラック（例：「赤にする」「点滅させる」）、そして水流を制御するトラック（例：「高く噴射する」「オフにする」）があります。
- 魔法： あなたはロボットに「どう動くか」を指示するのではありません。「どんな形を作るか」を伝えるのです。コンピュータが、18台のボートを衝突することなく地点Aから地点Bへと移動させるための複雑な数学的計算を行います。
- 結果： アーティストや振付師は、形や光をタイムライン上にドラッグ＆ドロップし、曲に合わせて同期させ、「再生」を押すだけでよいのです。彼らはコードを知る必要はありません。

5. 実世界のテスト

チームはこのシステムを、実際に2つの場所でテストしました。

スイス、チューリッヒ湖： 18台のボートを使用して、「白鳥の湖」のバージョンを披露しました。ボートはバレエを模倣するように優雅に動きました。
イタリア、ヴェネツィア： 小さなラグーンで8台のボートを使用し、アート展示を行いました。そこはより荒れた水面でしたが、ボートは依然として完璧に隊列を維持しました。

6. 何かがうまくいかない時は？

このシステムは、回復力（レジリエンス）を備えています。

もし1台のボートがインターネット接続を失っても、パニックにはなりません。内部の時計を使用して、あらかじめ計画された経路に従い続けます。
もしボートが故障した場合、システムはライトを消して、不具合のように見えないようにし、気づかれないように脇へ避けます。
あるケースでは、ボートが音楽と同期がズレてしまいましたが、観客はそれをミスではなく、意図的な芸術的選択だと感じました。これは、視覚効果がいかに堅牢であるかを示しています。

まとめ

「Way of Water」プロジェクトは、ロボットを水上で制御するという非常に困難なエンジニアリングの課題を、シンプルな音楽的インターフェースへと包み込みました。これにより、一連の複雑な機械を、アーティストが奏でることができる一つの楽器へと変え、エンジニアである必要なく、美しく同期した光と水のショーを生み出すことを可能にしたのです。

技術要約：Way of Water（水の道）の振付

問題提起
本論文は、開水域におけるロボット・コレオグラフィー（振付）の重大な課題に対処している。空中のスウォーム（群）が「空のピクセル」として成功を収めているのに対し、水面ベースのシステムは、境界層における厳格なエンジニアリング上の要求に苦慮している。水面は、波のダイナミクス、潮流、漂流といった非線形な流体力学を導入し、これらは精密な同期を能動的に阻害する。さらに、既存のロボット・アートのワークフローは、エンジニアリングの硬直性と芸術的な流動性の間に摩擦を生じさせており、アーティストが低レベルの制御パラメータを操作するためにプログラミングの専門知識を必要とする状況を生んでいる。核心となる問題は、いかにして一連の自律型水上艇（ASV）を、確率論的な環境攪乱にもかかわらず高精度な運動と安全性を維持しつつ、分散型の音楽応答型コレオグラフィー・プラットフォームへと編成するか、そして、いかにしてプログラミング未経験のアーティストにとってのアクセシビリティを確保するかである。

手法
著者らは、以下の3つの主要レイヤーからなる垂直統合型のサイバーフィジカル・フレームワーク「Way of Water」を提示している。

物理プラットフォーム（ハードウェア）:
- 推進: 船舶はホロノミックなXドライブ構成を採用しており、4つのブラシレスDCモーターにより、あらゆる方向への並進（ $x, y$ ）および同時回転（ $r$ ）を可能にしている。スラスターは安全のために完全に囲われており、最大20Nの推力を提供する。
- ペイロード: 視覚的表現は、カスタム製のラミナー（層流）ノズルによって実現される。これは、乱流のない照らされた水柱（最大6mの高さ）を生成し、3ゾーンの周辺照明システム（内部、水線、および潜水リング）を備えている。
- 電子機器: カスタムLi-ionバッテリーパックが10時間以上の稼働をサポートする。中央のE-BoxにはRaspberry Pi 5が搭載されており、分散型のソルバー（例：OSQP）の実行を担う。
- 通信: 船舶はテレメトリおよびRTK-GPS補正のためにLTE/MQTTを介して通信する。共有されたGPSパルス・パー・セカンド（PPS）により、専用のマスタークロックなしで、フリート全体でサブミリ秒単位の時間同期を実現している。
制御理論的フレームワーク:
- 状態推定: マルチレート拡張カルマンフィルタ（EKF）を用いて、RTK-GPS（位置/速度、10Hz）とIMUデータ（角速度/加速度、100Hz）を融合し、完全な3自由度（3-DOF）の状態（ $x, y, \psi, u, v, r$ ）を推定する。可観測性に基づく推定器は、制御入力と慣性変位を相関させることで方位を決定する。
- 軌跡追従: モデル予測制御（MPC）を採用し、10Hzで有限ホライゾンの最適化問題を解く。コスト関数は、ラミナーノズルの整列を維持するための方位精度を優先する一方で、波のエネルギーを吸収するための緩やかな位置偏差を許容する。
- 衝突回避: 逐次凸計画法（SCP）を用いて、オフラインで衝突のない軌跡を生成する。ペアごとの衝突制約は、候補となる軌跡の周囲で線形化され、分離超平面を定義することで、展開前の数学的安全性を保証する。
- フリート遷移: 線形割当問題（LSAP）を用いて、フォーメーション形状間の遷移時における総移動距離を最小化する。
オーサリング・パラダイム（Way of Water Studio）:
- 著者らは、制御理論を抽象化した、デジタル・オーディオ・ワークステーション（DAW）に似たブラウザベースのタイムライン・コンポジット・インターフェースを開発した。
- パラメトリック・プリミティブ: 個別のウェイポイントを定義する代わりに、コレグラファーはフォーメーションのメタパラメータ（形状トポロジー、スケール、回転、位相オフセット）を操作する。
- レイヤー: インターフェースには、幾何学的トポロジーのための「モーション・レイヤー」と、照明および水噴射エフェクトのための「ペイロード・レイヤー」が含まれる。
- オーディオ・パイプライン: リズム、エネルギー、スペクトル特徴を抽出するオフライン解析パイプライン（LibrosaおよびScipyを使用）が、ペイロードの変調（光の強度、ジェットの高さ）を駆動し、タイムラインのテンポラル・アンカーとして機能する。ただし、運動自体は音楽の波形に対して自律的に生成されるのではなく、手動で作曲される。

主な貢献

Way of Water Studio: ASVフリートを単一のタイムライン・コンポジション楽器として扱う、DAWのようなオーサリング環境。逐次凸計画法（SCP）、線形割当問題（LSAP）、およびモデル予測制御（MPC）を視覚的なインターフェースの背後にカプセル化し、プログラミングの専門知識を不要にしている。
垂直統合型アーキテクチャ: カスタムのホロノミック・シャシーと状態推定アルゴリズムから、ブラウザベースのプランニング・ツールに至る、水域ドメインに特化した完全なスタック。
流体力学的制御戦略: 平面的な水域ダイナミクスに対するSCPおよびMPCの適応。特に、ラミナー・ジェットの視覚的一貫性（方位精度）と、波の吸収（位置偏差の許容）の間のトレードオフに対処している。

結果と検証
システムは、2つの異なる展開において検証された。

チューリッヒ湖（白鳥の湖）: 18台の船舶によるパフォーマンスであり、精密なステーション・キーピング（定点保持）とラミナーの安定性を実証した。
ヴェネツィア・ビエンナーレ、フォルテ・マルゲーラ: ラグーン環境における8台の船舶によるデモンストレーションであり、機敏で高速な操縦下での堅牢性を証明した。

性能指標:

追従精度: MPCコントローラーは、持続的な風および波の条件下で、横方向の位置誤差（RMSE）0.038 m、および方位誤差1.4°を達成した。
運用耐久性: フリートは10時間以上連続して稼働した。
オーサリング効率: コード主体のPythonパイプラインからStudioへの移行により、シーン作成にかかる時間は、1曲あたり4〜8時間（5分間のコンパイル・シミュレーション・ループを伴う）から、90〜120分へと短縮され、編集からプレビューまでのサイクルは10秒未満となった。
堅牢性: システムは、共有GPSタイムベースによりサブRTK精度でのコレオグラフィーを維持しながら、数分間にわたる完全なLTEブラックアウトを許容した。

意義と主張
本論文は、「Way of Water」を流体的ロボット・スウォームの設計と展開のための基礎的なリファレンスとして位置づけている。その主な意義は、エンジニアリングの制約と芸術的表現の間の溝を埋めることにある。複雑な物理学や最適化ソルバーを馴染みのある視覚的なタイムラインへと抽象化することで、本フレームワークは、制御理論やロボティクスの深い技術知識を必要とせずに、コレグラファーやミュージシャンが分散型の水上スウォームのための楽曲を構成することを可能にする。

著者らは、現在のシステムはリアルタイムの即興楽器でも、自律的な音楽リスニング・エージェントでもないことを明示している。運動は、事前に解析されたオーディオ・リファレンスに対してオフラインで作曲される。貢献は、オーサリング・パラダイムとサイバーフィジカル・スタックであり、それらが将来の作業を扱いやすくするためのものである。本研究は、船舶が体積を持つ流体的なプリミティブとして機能する新しい「ダイナミカル・ピクセル」のパラダイムを確立し、公共芸術における火工品に代わる、持続可能でゼロエミッションの代替案を提示している。論文は、分散型ミドルウェアによる規模の拡大（~24台以上）、ローカル・ルールに基づく創発的挙動（Reynolds/Paskスタイル）の統合、およびリアルタイムでのリスニングへのオーディオ・パイプラインの拡張を含む、今後の方向性を特定して締めくくられている。