為保護美式橄欖球運動員

免受腦震蕩，

由這款機器人來承受撞擊。

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在日常訓練中，美式橄欖球教練常會表情嚴肅地站在場邊發出各種指令，指揮球員完成訓練內容。但在今年5月的一個午后，在匹茲堡鋼人隊的洞穴狀場館中，球隊主教練麥克?湯姆林（Mike Tomlin）卻忍不住參與到訓練之中：一個真人大小的機器人正在人工草坪上加速沖刺，湯姆林笑著跑到場地上進行撲摟（tackle）。

這種移動虛擬球員產品（MVP）旨在保護球員，幫助他們承受那些經常發生、有損大腦的沖突和撞擊。在過去的10年間，美式橄欖球一直備受爭議，因為該項運動“先天存在”頻繁的猛烈撞擊，常常會導致球員發生腦震蕩，有時甚至會導致嚴重的永久性顱腦損失。作為回應，美國國家橄欖球聯盟（NFL）已對比賽規則進行相應的修改，并投入數百萬美元進行醫療研究。但在大學和青少年美式橄欖球領域，這種頭部損傷問題更為嚴重。醫生、政客和學生家長等多方人士提出了一個十分迫切的問題：如果球員年輕時便已開始經受這種猛烈的撞擊，那么經過多年累積后會產生什么樣的后果呢？

2013年，我還是新罕布爾州漢諾威的達特茅斯學院工程專業一個本科生團隊的一員。當時我們團隊正試圖尋找此類問題的技術性解決方案。我們希望發明出一款可以像真人球員那樣自由移動的人形撲摟機器人，在訓練過程中承受沖撞。我們發現，以機器人作為真人的替身，可以有效降低對抗訓練中球員間的相互撞擊。許多頭部損傷都是因撞擊導致的。我們的目標是打造一款靈活的緩沖機器人，當其受到中后衛球員的猛烈沖擊倒地后，能立即彈回，供下一位球員進行練習。

將本款產品從大學實驗室引入NFL場館并非易事。但經過多年努力，現在我已成為一家技術創業公司（公司名稱也是MVP）的研發總監，進一步對本款機器人進行開發與改善。我們已與一家生產商用裝備的體育用品公司建立了穩定的合作關系，首批商品已經在8月份下線。在過去的幾個月里，我們將機器人產品交付于多位預約客戶，包括多家NFL球隊和全美頂尖的一些大學橄欖球隊。

在5月份拜訪鋼人隊訓練館時，我們為球隊提供了測試版MVP。我可以很驕傲地說，經過兩周的試用，MVP成功獲得了球隊的青睞：鋼人隊購買了我們的兩款新產品，每款單價為8000美元。

通過觀察教練對MVP的使用情況，我們發現，MVP不僅可以作為對抗目標。經過進一步開發，MVP還可成為任何球員的替身，并可參與到更為復雜的戰術演練之中。目前需使用遠程遙控器對MVP進行控制，但是我們正在進行試驗，爭取進一步提高MVP的自主性。我們甚至可以試想，在未來的橄欖球訓練中，球員進入訓練場地后會發現一整支機器人球隊整齊排列于場地之中，等待和他們爭球對抗。

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“我熱愛橄欖球賽，但我更珍惜我的球員。”綽號“巴迪”的達特茅斯教練尤金?迪文斯（Eugene Teevens）說。他曾在今年5月份參加美國國會舉辦的一場關于青少年運動員腦震蕩頻發問題的聽證會。盡管對這個問題的關注度持續走高，但最近的一份研究結果顯示，美國青少年和青壯年發生腦震蕩意外的數量仍呈上升趨勢，未見任何改善。迪文斯是致力于維護球員安全的主要倡導者，他先于委員會表達了他對這一嚴重問題的根本主張。

達特茅斯學院擁有悠久的橄欖球歷史，最早可追溯至1876年。該校目前已成功奪取18次常青藤聯盟橄欖球賽桂冠。2011年，迪文斯教練宣布全面禁止球員在練習過程中使用撲摟技術，這在當時的橄欖球界掀起了軒然大波。球員可以沖撞帶襯墊的撲摟擋板，但不得沖撞其他隊友。不客氣地講，當時所有球員、球迷和教練都認為他瘋了。

但現在他們再也不這樣認為了。自迪文斯教練宣布這一禁令以來，達特茅斯學院每一賽季均取得了佳績。盡管如此，迪文斯教練始終希望能夠在訓練過程中以安全的方式模擬實際比賽情況，以確保防守隊員可以追逐和撲摟住難以捉摸的進攻對手。所以，在2013年，迪文斯教練向達特茅斯工程學院提出了一項挑戰。學生們能否開發出一種既能讓球員練習撲摟技術，又能確保球員人身安全的技術？

當時，我正是幫助解決該問題的合適人選。自2009年進入達特茅斯學院進修工程專業開始，我便在迪文斯教練的指導下擔任球隊防守后衛，也經歷過真實訓練所帶來的傷痛。所以，我與奎恩?康尼爾（Quinn Connel，現任MVP工程總監）以及另外兩名同學合作，并將迪文斯教練提出的挑戰作為我們大四的研究項目。我們計劃打造一臺可以迅速移動的機器人，能逼真地模仿橄欖球運動員的活動情況，并可經受住不斷重復的撲摟撞擊。當時我們向教練承諾，會在6個月之內交付成品。但我們很快就發現，我們定的目標有點高了。

我們最初的想法是制作一個能夠在橄欖球中心線上靈活滾動的機器人，這樣機器人可向任何方向自由運動，從而模仿真實橄欖球運動員難以預判的跑動方向。為使機器人在運動中保持直立，我們考慮借鑒“圓球機器人”（Ballbot）的設計思路，利用傳感器和軟件實現機器人的平衡。但我們很快發現了這種思路存在的弊端。我們的機器人應當只是幫助球員練習撲摟的輔助設備，而不應是一個試圖站得筆直的對抗性機器。因此，我們給機器人增加了被動穩定裝置，使用鋼管圍住機器人底座，確保機器人移動時底部可順暢地在地面進行活動。

我們確實制造出了幾個使用滾球傳動的樣機，但它們帶來了其他問題。有兩處牽引力不足：滾球與用于控制滾球轉動的小型內部動力傳動輪之間，以及滾球與地面之間。我們一邊絞盡腦汁地解決問題，一邊著手迎接下一項工程挑戰。

那是非常棘手的難題。要想讓機器人在訓練過程中做到真正有效，那么在球員做出每一次撲摟動作之后，機器人都應當可以立即恢復原狀，供下一隊員進行練習。我們使用計算機模型成功尋找到了一個重心位置合適的形狀，外形像極了孩子們愛玩的不倒翁玩具。我們將綠色泡沫倒至模具中，以期獲得所期望的機器人外形——身高與人差不多且配置圓形基底的圓錐體。我們還在機器人上增加了大量鋼材，作為壓載物保持機器人穩定。可惜的是，增加的重量太大，導致機器人無法運動。

后來由于2013學年臨近尾聲，我們匆匆忙忙地希望抓緊完成這一任務。我們為機器人安裝了現成的無線電通信系統，從而通過遠程遙控器對機器人進行控制；我們還安裝了跨接電纜，用從康尼爾的斯巴魯汽車上卸下來的電池給機器人供電。誠然，最后完成的機器人的確符合所有預期設計參數，但我們不得不承認，我們當時并未創造出具有實用功能的機器人樣品。

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在第二年整整一年的時間里，我們的機器人在不同的地方被搬來搬去。2014年秋季學期，我在達特茅斯學院生物工程專業繼續深造，開始了碩士研究生課程，當時我的同學康尼爾因為工作原因離開了美國。但我們仍對我們的機器人項目有信心，只不過我們都沒有時間繼續進行研究和開發。先前完成的樣品先后被放置在工程院大樓的多個實驗室，直到最后，我把它帶到了聯誼會會堂，放在一堆空啤酒桶旁邊的儲物柜中。然后，在2015年5月的一天，我的女友給我打電話說，她在會堂前停車時發現我們“呆萌的”綠色機器人被扔到了垃圾桶里。

我趕緊跑過去挽救我的機器人。我和女友把這個沉重的大家伙拖向汽車，我突然想到我和康尼爾曾向迪文斯教練承諾，會拿出一臺有用的設備。于是，我打電話給康尼爾，當時他正在哥倫比亞的一家戶外教學公司擔任講師。電話溝通之后，我們決定利用夏天的時間，全力完成這個項目。我們在Kickstarter發起了眾籌，目標不高——5000美元。一些慷慨的校友為我們提供了資金支持。我們約定，如果夏天結束之前還未能打造一臺切實可用的機器人樣品，那么我們就徹底放棄。

康尼爾重新回到校園，我們正式開始了。我們的專業是機械工程，不過不需要電子工程專業的背景知識就能明白，鉛酸電池不是我們項目的理想之選。我們需要重量輕且電能足，能夠帶動人形機器人在地面快速活動的電力設備。為了獲取靈感，我們還收看了美國電視節目《機器人大戰》（BattleBots），在這檔節目中，參賽選手會打造功能強大且外形小巧的機器人。我們嘗試了多種電池和設置方案，當然失敗案例很多：我們不止一次地拿著還在冒煙的機器人殘骸離開橄欖球球場，出現這種情況的原因多數是傳動系統的線路發生燃燒，或電池受損。但最終，我們還是成功發現了適合我們機器人的鋰電池。

那年夏天，我們最大的目標是改進滾球傳動系統。我們試圖在動力傳動輪與滾球之間產生更強的牽引力，為此嘗試了不同種類的充氣滾球，還用學院的3D打印機嘗試制作了很多復雜的組件。最終，我們開發出了一款外殼防護裝置，將滾球置于帶彈簧的腳輪中，確保滾球與傳動輪保持足夠的張力。但這種腳輪將機器人的離地間隙縮小，導致其活動范圍被限制在硬化路面或平整的草地上。

到8月份，我們打造的機器人已經可以在球場上緩慢地直線前進了，但其在草面上的牽引力仍然不盡人意，且在急轉彎時容易發生漂移。我們的壓力非常大：再過幾周達特茅斯橄欖球隊的訓練營就正式開始了，而且我們的預算也所剩無幾了。我們日夜趕工，天天吃日本拉面，即便如此，我們仍沒有制造出能滿足迪文斯教練預期的機器人樣品。

是時候拼一把了。因此，我們放棄了打造一款全向運動機器人的想法，并改變了一直使用的滾球傳動設計思路，決定使用輪子進行替代?？的釥柺褂肅AD軟件熬夜創制了一個全新的模型，然后我們來到了機械車間，將原先的機器人零件一一卸下，以便再次利用它的泡沫塑料。我們大致組裝了一個新機器人外形，然后迅速地將電動機和電子元件安裝于新機器人之上。我們安裝好所有的配件，在8月中旬某一個深夜的工作結束后，我們在冷清的實驗室內使機器人進行旋轉。令我們驚喜的是，移動效果很不錯，真的很不錯。

隨后，我們將機器人放到卡車上，前往橄欖球場進行測試。在行駛途中，我們遇到了一位達特茅斯橄欖球隊的隊員，他主動幫助我們進行首次測試。測試過程中，康尼爾遠程控制機器人圍著球場進行環形和鋸齒形快速移動，而那位“撲摟專家”則在反復追趕機器人，并將其撲倒。我們十分開心地看到，機器人在每次撞擊之后均可立恢復原狀，準備迎接下一次撞擊。

那天晚些時候，我們偶遇的橄欖球球員朋友在推特上發布了一條關于本次測試的視頻，時長30秒。我們未曾預料的事情發生了：這條推文被迅速轉發。24小時之內，點擊量就突破了100萬。許多教練和球員都激動地表示要購買我們的機器人。冷靜下來之后，我們意識到，我們的機器人將不再只是一個學校級別的項目了。

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在達特茅斯學院2015年度橄欖球訓練營開營日當天，兩臺試用型MVP機器人與魁梧的球員一同參加了第一堂撲摟訓練課。身形高大的防守后衛依次狠狠地撞擊我們的機器人，我和康尼爾仔細觀察著這一切，并在想機器人中的電子元件能否抵抗住這樣猛烈的沖擊。我們的這種擔憂是有理由的：在訓練開始約3分鐘之后，其中一臺MVP在被撞倒彈起后，一個輪子全速持續運轉，導致機器人不斷轉著小圈。我趕緊把這臺MVP帶到場外，把它拆開后我們發現，電池引線因為強烈震動而出現松動，并且令人驚訝的是，那條電池引線直接越過控制電壓的電子元件平臺，連接到了電動機引線。在這次事件之后，我們為機器人安裝了更為牢固結實的導線、連接器和故障保護設備，避免再次出現導致機器人“發瘋”的小故障。

2015賽季轉眼就過去了。達特茅斯橄欖球隊的日常訓練都有MVP陪伴，而在每次球隊訓練完畢之后，我們的團隊就負責替換螺絲，并修理毀損的零件。我們的最終版樣品重量為70千克，最高速度為32公里/小時，這一速度足以模仿人類球員。我們的機器人能夠在原地旋轉，可以在很小的空間內轉彎，也可在多個障礙物之間來回穿梭。我們非常驕傲。

但是，將樣品成功轉變為商業產品似乎總是令人感到惴惴不安。所以，我們與羅杰斯體育運動有限公司建立了合作關系，它是一家總部位于密歇根克萊爾市的橄欖球設備領先制造商，它為我們制造了6組測試產品，以供2016年春季訓練營使用。我們也拜訪了包括鋼人隊和烏鴉隊在內的多支NFL球隊、密歇根州等頂尖大學球隊，以及眾多高中橄欖球隊。

這次拜訪讓我們對自己的機器人有了更深刻的認識。盡管機器人在人造草坪和修葺良好的草地之上能夠輕松轉動前行，但在較為粗糙的表面上，我們遇到了不少問題。比如在高中的多用途操場上，當機器人在棒球場跑道的土質表面移動時，難以實現順暢、平穩的行進與轉向，地面較為泥濘時情況尤甚。我們現在正重點解決這一牽引力挑戰。同時，在部件用料選擇方面，我們也采取了十分嚴苛的標準。當我們意識到機器人需要在佛羅里達州的高溫下使用時，我們選擇了類似聚四氟乙烯的原料進行加工制作。美式橄欖球是一項非常粗獷的運動，所以機器人運動員也應當具備足夠的強度——MVP應該能夠抵擋暴雪、寒冰、泥漿、暴雨和酷熱的侵蝕。

為機器人尋找到最合適的遠程控制系統耗費了我們不少時間。迪文斯教練最初曾希望使用操縱桿控制機器人，我們也嘗試過那種方式，試圖利用現有部件達到目的。后來我們發現這種控制方式十分別扭，然后我們就開始嘗試雙拇指式控制器，分別控制加速和轉向。這種設計更為合理，但教練們似乎并不能完全掌握這種系統，最終，我們確定了更為適宜、更符合教練要求的兩分式控制系統：一個觸發器，使用者扳動它可以控制機器人前行；一個方向盤，用于控制機器人方向。

我也希望展示關于最終設計的更多技術細節，但是，作為一家依靠一項全新產品進入競爭激烈的體育用品行業的創業公司，我們必須保護我們的知識產權。2016年8月，我們正式推出了首批限量版MVP商業產品。

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我們現在面臨的挑戰是提高機器人的智能化程度。目前MVP機器人需要由專人站在邊線位置進行控制，許多教練都問我們，未來能否對機器人進行編程，使機器人按照規定路線獨立進行活動和運行。為實現這種自主化要求，MVP需要一組可以使用定位和映射技術的板載操作系統，來確認其在球場中的位置。該操作系統亦應支持局域網絡，從而實現MVP間的相互通信——這有可能讓我們組建一支完整的機器人球隊，由MVP自主協作進行比賽。

部分NFL和高校教練也希望MVP能夠具備對撲摟或跑動路線數據的記錄功能。實現這一點并沒有那么困難，只需在機器人中增添若干傳感器即可，但是增加電子元件可能導致價格提高，對青少年橄欖球項目緊張的預算來說過于昂貴。這是我們真正關注的地方，因為我們的總體目標是保護所有橄欖球球員，盡量降低其在橄欖球生涯中所遭受的撞擊次數。我們現在也在考慮推出不同類型的產品，以滿足不同市場的需求。

市場需求是空前旺盛的。美式橄欖球正面臨損失整整一代橄欖球運動員的風險，因為家長已然深信這項運動對自己的孩子來說太過危險。但像迪文斯教練一樣，還有很多人仍然深愛著這項運動，并珍惜從這項運動中得到的經驗與教訓。如果MVP能夠讓年輕球員們在佩戴頭盔登場時面臨更低的風險，那么我想，MVP就會像其名字一樣，成為橄欖球場的“最有價值球員”（MVP）。

作者：Elliot Kastner