为保护美式橄榄球运动员
免受脑震荡，
由这款机器人来承受撞击。
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在日常训练中，美式橄榄球教练常会表情严肃地站在场边发出各种指令，指挥球员完成训练内容。但在今年5月的一个午后，在匹兹堡钢人队的洞穴状场馆中，球队主教练麦克•汤姆林（Mike Tomlin）却忍不住参与到训练之中：一个真人大小的机器人正在人工草坪上加速冲刺，汤姆林笑着跑到场地上进行扑搂（tackle）。
这种移动虚拟球员产品（MVP）旨在保护球员，帮助他们承受那些经常发生、有损大脑的冲突和撞击。在过去的10年间，美式橄榄球一直备受争议，因为该项运动“先天存在”频繁的猛烈撞击，常常会导致球员发生脑震荡，有时甚至会导致严重的永久性颅脑损失。作为回应，美国国家橄榄球联盟（NFL）已对比赛规则进行相应的修改，并投入数百万美元进行医疗研究。但在大学和青少年美式橄榄球领域，这种头部损伤问题更为严重。医生、政客和学生家长等多方人士提出了一个十分迫切的问题：如果球员年轻时便已开始经受这种猛烈的撞击，那么经过多年累积后会产生什么样的后果呢？
2013年，我还是新罕布尔州汉诺威的达特茅斯学院工程专业一个本科生团队的一员。当时我们团队正试图寻找此类问题的技术性解决方案。我们希望发明出一款可以像真人球员那样自由移动的人形扑搂机器人，在训练过程中承受冲撞。我们发现，以机器人作为真人的替身，可以有效降低对抗训练中球员间的相互撞击。许多头部损伤都是因撞击导致的。我们的目标是打造一款灵活的缓冲机器人，当其受到中后卫球员的猛烈冲击倒地后，能立即弹回，供下一位球员进行练习。
将本款产品从大学实验室引入NFL场馆并非易事。但经过多年努力，现在我已成为一家技术创业公司（公司名称也是MVP）的研发总监，进一步对本款机器人进行开发与改善。我们已与一家生产商用装备的体育用品公司建立了稳定的合作关系，首批商品已经在8月份下线。在过去的几个月里，我们将机器人产品交付于多位预约客户，包括多家NFL球队和全美顶尖的一些大学橄榄球队。
在5月份拜访钢人队训练馆时，我们为球队提供了测试版MVP。我可以很骄傲地说，经过两周的试用，MVP成功获得了球队的青睐：钢人队购买了我们的两款新产品，每款单价为8000美元。
通过观察教练对MVP的使用情况，我们发现，MVP不仅可以作为对抗目标。经过进一步开发，MVP还可成为任何球员的替身，并可参与到更为复杂的战术演练之中。目前需使用远程遥控器对MVP进行控制，但是我们正在进行试验，争取进一步提高MVP的自主性。我们甚至可以试想，在未来的橄榄球训练中，球员进入训练场地后会发现一整支机器人球队整齐排列于场地之中，等待和他们争球对抗。
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“我热爱橄榄球赛，但我更珍惜我的球员。”绰号“巴迪”的达特茅斯教练尤金•迪文斯（Eugene Teevens）说。他曾在今年5月份参加美国国会举办的一场关于青少年运动员脑震荡频发问题的听证会。尽管对这个问题的关注度持续走高，但最近的一份研究结果显示，美国青少年和青壮年发生脑震荡意外的数量仍呈上升趋势，未见任何改善。迪文斯是致力于维护球员安全的主要倡导者，他先于委员会表达了他对这一严重问题的根本主张。
达特茅斯学院拥有悠久的橄榄球历史，最早可追溯至1876年。该校目前已成功夺取18次常青藤联盟橄榄球赛桂冠。2011年，迪文斯教练宣布全面禁止球员在练习过程中使用扑搂技术，这在当时的橄榄球界掀起了轩然大波。球员可以冲撞带衬垫的扑搂挡板，但不得冲撞其他队友。不客气地讲，当时所有球员、球迷和教练都认为他疯了。
但现在他们再也不这样认为了。自迪文斯教练宣布这一禁令以来，达特茅斯学院每一赛季均取得了佳绩。尽管如此，迪文斯教练始终希望能够在训练过程中以安全的方式模拟实际比赛情况，以确保防守队员可以追逐和扑搂住难以捉摸的进攻对手。所以，在2013年，迪文斯教练向达特茅斯工程学院提出了一项挑战。学生们能否开发出一种既能让球员练习扑搂技术，又能确保球员人身安全的技术？
当时，我正是帮助解决该问题的合适人选。自2009年进入达特茅斯学院进修工程专业开始，我便在迪文斯教练的指导下担任球队防守后卫，也经历过真实训练所带来的伤痛。所以，我与奎恩•康尼尔（Quinn Connel，现任MVP工程总监）以及另外两名同学合作，并将迪文斯教练提出的挑战作为我们大四的研究项目。我们计划打造一台可以迅速移动的机器人，能逼真地模仿橄榄球运动员的活动情况，并可经受住不断重复的扑搂撞击。当时我们向教练承诺，会在6个月之内交付成品。但我们很快就发现，我们定的目标有点高了。
我们最初的想法是制作一个能够在橄榄球中心线上灵活滚动的机器人，这样机器人可向任何方向自由运动，从而模仿真实橄榄球运动员难以预判的跑动方向。为使机器人在运动中保持直立，我们考虑借鉴“圆球机器人”（Ballbot）的设计思路，利用传感器和软件实现机器人的平衡。但我们很快发现了这种思路存在的弊端。我们的机器人应当只是帮助球员练习扑搂的辅助设备，而不应是一个试图站得笔直的对抗性机器。因此，我们给机器人增加了被动稳定装置，使用钢管围住机器人底座，确保机器人移动时底部可顺畅地在地面进行活动。
我们确实制造出了几个使用滚球传动的样机，但它们带来了其他问题。有两处牵引力不足：滚球与用于控制滚球转动的小型内部动力传动轮之间，以及滚球与地面之间。我们一边绞尽脑汁地解决问题，一边着手迎接下一项工程挑战。
那是非常棘手的难题。要想让机器人在训练过程中做到真正有效，那么在球员做出每一次扑搂动作之后，机器人都应当可以立即恢复原状，供下一队员进行练习。我们使用计算机模型成功寻找到了一个重心位置合适的形状，外形像极了孩子们爱玩的不倒翁玩具。我们将绿色泡沫倒至模具中，以期获得所期望的机器人外形——身高与人差不多且配置圆形基底的圆锥体。我们还在机器人上增加了大量钢材，作为压载物保持机器人稳定。可惜的是，增加的重量太大，导致机器人无法运动。
后来由于2013学年临近尾声，我们匆匆忙忙地希望抓紧完成这一任务。我们为机器人安装了现成的无线电通信系统，从而通过远程遥控器对机器人进行控制；我们还安装了跨接电缆，用从康尼尔的斯巴鲁汽车上卸下来的电池给机器人供电。诚然，最后完成的机器人的确符合所有预期设计参数，但我们不得不承认，我们当时并未创造出具有实用功能的机器人样品。
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在第二年整整一年的时间里，我们的机器人在不同的地方被搬来搬去。2014年秋季学期，我在达特茅斯学院生物工程专业继续深造，开始了硕士研究生课程，当时我的同学康尼尔因为工作原因离开了美国。但我们仍对我们的机器人项目有信心，只不过我们都没有时间继续进行研究和开发。先前完成的样品先后被放置在工程院大楼的多个实验室，直到最后，我把它带到了联谊会会堂，放在一堆空啤酒桶旁边的储物柜中。然后，在2015年5月的一天，我的女友给我打电话说，她在会堂前停车时发现我们“呆萌的”绿色机器人被扔到了垃圾桶里。
我赶紧跑过去挽救我的机器人。我和女友把这个沉重的大家伙拖向汽车，我突然想到我和康尼尔曾向迪文斯教练承诺，会拿出一台有用的设备。于是，我打电话给康尼尔，当时他正在哥伦比亚的一家户外教学公司担任讲师。电话沟通之后，我们决定利用夏天的时间，全力完成这个项目。我们在Kickstarter发起了众筹，目标不高——5000美元。一些慷慨的校友为我们提供了资金支持。我们约定，如果夏天结束之前还未能打造一台切实可用的机器人样品，那么我们就彻底放弃。
康尼尔重新回到校园，我们正式开始了。我们的专业是机械工程，不过不需要电子工程专业的背景知识就能明白，铅酸电池不是我们项目的理想之选。我们需要重量轻且电能足，能够带动人形机器人在地面快速活动的电力设备。为了获取灵感，我们还收看了美国电视节目《机器人大战》（BattleBots），在这档节目中，参赛选手会打造功能强大且外形小巧的机器人。我们尝试了多种电池和设置方案，当然失败案例很多：我们不止一次地拿着还在冒烟的机器人残骸离开橄榄球球场，出现这种情况的原因多数是传动系统的线路发生燃烧，或电池受损。但最终，我们还是成功发现了适合我们机器人的锂电池。
那年夏天，我们最大的目标是改进滚球传动系统。我们试图在动力传动轮与滚球之间产生更强的牵引力，为此尝试了不同种类的充气滚球，还用学院的3D打印机尝试制作了很多复杂的组件。最终，我们开发出了一款外壳防护装置，将滚球置于带弹簧的脚轮中，确保滚球与传动轮保持足够的张力。但这种脚轮将机器人的离地间隙缩小，导致其活动范围被限制在硬化路面或平整的草地上。
到8月份，我们打造的机器人已经可以在球场上缓慢地直线前进了，但其在草面上的牵引力仍然不尽人意，且在急转弯时容易发生漂移。我们的压力非常大：再过几周达特茅斯橄榄球队的训练营就正式开始了，而且我们的预算也所剩无几了。我们日夜赶工，天天吃日本拉面，即便如此，我们仍没有制造出能满足迪文斯教练预期的机器人样品。
是时候拼一把了。因此，我们放弃了打造一款全向运动机器人的想法，并改变了一直使用的滚球传动设计思路，决定使用轮子进行替代。康尼尔使用CAD软件熬夜创制了一个全新的模型，然后我们来到了机械车间，将原先的机器人零件一一卸下，以便再次利用它的泡沫塑料。我们大致组装了一个新机器人外形，然后迅速地将电动机和电子元件安装于新机器人之上。我们安装好所有的配件，在8月中旬某一个深夜的工作结束后，我们在冷清的实验室内使机器人进行旋转。令我们惊喜的是，移动效果很不错，真的很不错。
随后，我们将机器人放到卡车上，前往橄榄球场进行测试。在行驶途中，我们遇到了一位达特茅斯橄榄球队的队员，他主动帮助我们进行首次测试。测试过程中，康尼尔远程控制机器人围着球场进行环形和锯齿形快速移动，而那位“扑搂专家”则在反复追赶机器人，并将其扑倒。我们十分开心地看到，机器人在每次撞击之后均可立恢复原状，准备迎接下一次撞击。
那天晚些时候，我们偶遇的橄榄球球员朋友在推特上发布了一条关于本次测试的视频，时长30秒。我们未曾预料的事情发生了：这条推文被迅速转发。24小时之内，点击量就突破了100万。许多教练和球员都激动地表示要购买我们的机器人。冷静下来之后，我们意识到，我们的机器人将不再只是一个学校级别的项目了。
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在达特茅斯学院2015年度橄榄球训练营开营日当天，两台试用型MVP机器人与魁梧的球员一同参加了第一堂扑搂训练课。身形高大的防守后卫依次狠狠地撞击我们的机器人，我和康尼尔仔细观察着这一切，并在想机器人中的电子元件能否抵抗住这样猛烈的冲击。我们的这种担忧是有理由的：在训练开始约3分钟之后，其中一台MVP在被撞倒弹起后，一个轮子全速持续运转，导致机器人不断转着小圈。我赶紧把这台MVP带到场外，把它拆开后我们发现，电池引线因为强烈震动而出现松动，并且令人惊讶的是，那条电池引线直接越过控制电压的电子元件平台，连接到了电动机引线。在这次事件之后，我们为机器人安装了更为牢固结实的导线、连接器和故障保护设备，避免再次出现导致机器人“发疯”的小故障。
2015赛季转眼就过去了。达特茅斯橄榄球队的日常训练都有MVP陪伴，而在每次球队训练完毕之后，我们的团队就负责替换螺丝，并修理毁损的零件。我们的最终版样品重量为70千克，最高速度为32公里/小时，这一速度足以模仿人类球员。我们的机器人能够在原地旋转，可以在很小的空间内转弯，也可在多个障碍物之间来回穿梭。我们非常骄傲。
但是，将样品成功转变为商业产品似乎总是令人感到惴惴不安。所以，我们与罗杰斯体育运动有限公司建立了合作关系，它是一家总部位于密歇根克莱尔市的橄榄球设备领先制造商，它为我们制造了6组测试产品，以供2016年春季训练营使用。我们也拜访了包括钢人队和乌鸦队在内的多支NFL球队、密歇根州等顶尖大学球队，以及众多高中橄榄球队。
这次拜访让我们对自己的机器人有了更深刻的认识。尽管机器人在人造草坪和修葺良好的草地之上能够轻松转动前行，但在较为粗糙的表面上，我们遇到了不少问题。比如在高中的多用途操场上，当机器人在棒球场跑道的土质表面移动时，难以实现顺畅、平稳的行进与转向，地面较为泥泞时情况尤甚。我们现在正重点解决这一牵引力挑战。同时，在部件用料选择方面，我们也采取了十分严苛的标准。当我们意识到机器人需要在佛罗里达州的高温下使用时，我们选择了类似聚四氟乙烯的原料进行加工制作。美式橄榄球是一项非常粗犷的运动，所以机器人运动员也应当具备足够的强度——MVP应该能够抵挡暴雪、寒冰、泥浆、暴雨和酷热的侵蚀。
为机器人寻找到最合适的远程控制系统耗费了我们不少时间。迪文斯教练最初曾希望使用操纵杆控制机器人，我们也尝试过那种方式，试图利用现有部件达到目的。后来我们发现这种控制方式十分别扭，然后我们就开始尝试双拇指式控制器，分别控制加速和转向。这种设计更为合理，但教练们似乎并不能完全掌握这种系统，最终，我们确定了更为适宜、更符合教练要求的两分式控制系统：一个触发器，使用者扳动它可以控制机器人前行；一个方向盘，用于控制机器人方向。
我也希望展示关于最终设计的更多技术细节，但是，作为一家依靠一项全新产品进入竞争激烈的体育用品行业的创业公司，我们必须保护我们的知识产权。2016年8月，我们正式推出了首批限量版MVP商业产品。
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我们现在面临的挑战是提高机器人的智能化程度。目前MVP机器人需要由专人站在边线位置进行控制，许多教练都问我们，未来能否对机器人进行编程，使机器人按照规定路线独立进行活动和运行。为实现这种自主化要求，MVP需要一组可以使用定位和映射技术的板载操作系统，来确认其在球场中的位置。该操作系统亦应支持局域网络，从而实现MVP间的相互通信——这有可能让我们组建一支完整的机器人球队，由MVP自主协作进行比赛。
部分NFL和高校教练也希望MVP能够具备对扑搂或跑动路线数据的记录功能。实现这一点并没有那么困难，只需在机器人中增添若干传感器即可，但是增加电子元件可能导致价格提高，对青少年橄榄球项目紧张的预算来说过于昂贵。这是我们真正关注的地方，因为我们的总体目标是保护所有橄榄球球员，尽量降低其在橄榄球生涯中所遭受的撞击次数。我们现在也在考虑推出不同类型的产品，以满足不同市场的需求。
市场需求是空前旺盛的。美式橄榄球正面临损失整整一代橄榄球运动员的风险，因为家长已然深信这项运动对自己的孩子来说太过危险。但像迪文斯教练一样，还有很多人仍然深爱着这项运动，并珍惜从这项运动中得到的经验与教训。如果MVP能够让年轻球员们在佩戴头盔登场时面临更低的风险，那么我想，MVP就会像其名字一样，成为橄榄球场的“最有价值球员”（MVP）。
作者：Elliot Kastner
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