圖為北京科技周活動(dòng)主場(chǎng)室內(nèi)主題展區(qū)中展出的高性能多功能冬奧服裝服飾。 新華社記者 任超 攝
跳臺(tái)滑雪項(xiàng)目中，教練員可通過(guò)人工智能輔助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程的三維捕捉分析。圖為虛擬數(shù)字人在起跳時(shí)的核心生物力學(xué)指標(biāo)展示。（上海體育學(xué)院供圖）
競(jìng)賽場(chǎng)上，0.01秒或者0.01米的優(yōu)勢(shì)，都能決定冠軍的歸屬。身處金字塔尖的運(yùn)動(dòng)員，若想取得傲人的成績(jī)，自身的努力固然非常重要，科技創(chuàng)新的力量也不容忽視?？萍技映窒?，不僅能提高其備戰(zhàn)訓(xùn)練水平，更能在賽場(chǎng)上獲得事半功倍的效果。
那么，在科技日新月異的今日，有哪些高科技能助運(yùn)動(dòng)員一臂之力？這正是“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)攻關(guān)的重要內(nèi)容。
從比賽裝備，到科學(xué)訓(xùn)練、技能優(yōu)化，再到氣象、醫(yī)療等全方位保障……如今，一項(xiàng)項(xiàng)“黑科技”正在或即將運(yùn)用于我國(guó)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的訓(xùn)練、比賽中，助力運(yùn)動(dòng)員在冰雪賽場(chǎng)上更快、更強(qiáng)。
運(yùn)動(dòng)裝備自主研發(fā)的最佳姿態(tài)速滑服比海外采購(gòu)的減阻超11%
東京奧運(yùn)會(huì)上，81公斤級(jí)舉重冠軍呂小軍腳下暗藏高科技的金色戰(zhàn)靴，受到廣泛關(guān)注。
事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)裝備是影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的一個(gè)重要因素，這在冬奧會(huì)中體現(xiàn)更為明顯。近年來(lái)，在競(jìng)技場(chǎng)上，運(yùn)動(dòng)裝備的科技含量越來(lái)越高。
“競(jìng)速類比賽中，0.01秒就可以決定一塊金牌的歸屬，這0.01秒的差距也許就來(lái)自服裝和裝備?！北本┓b學(xué)院主攻功能服裝研究的劉莉教授說(shuō)。同時(shí)，她也是國(guó)家冬季運(yùn)動(dòng)服裝裝備研發(fā)中心的主任，“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“冬季運(yùn)動(dòng)與訓(xùn)練比賽高性能服裝研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。
該項(xiàng)目由北京服裝學(xué)院團(tuán)隊(duì)牽頭，6所高校、4個(gè)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)競(jìng)速類項(xiàng)目服裝、防護(hù)材料及裝備、耐低溫保障材料和技巧類項(xiàng)目服裝四類產(chǎn)品創(chuàng)新。
8月19日，記者聯(lián)系到劉莉時(shí)，她和團(tuán)隊(duì)成員正在中國(guó)速滑隊(duì)訓(xùn)練基地，準(zhǔn)備給運(yùn)動(dòng)員試穿“戰(zhàn)袍”樣衣。
據(jù)介紹，速度滑冰等競(jìng)速類比賽追求“快”，所以服裝要考慮風(fēng)的阻力。“我們通過(guò)科學(xué)化的服裝結(jié)構(gòu)和面料設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)跨尺度協(xié)同減阻，有效降低阻力，幫助運(yùn)動(dòng)員提升賽場(chǎng)表現(xiàn)。”劉莉告訴記者，“快”正是他們解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。
參考中國(guó)運(yùn)動(dòng)員體型特征、訓(xùn)練及比賽環(huán)境等，該項(xiàng)目組通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)構(gòu)建三維空氣動(dòng)力模型，在全球范圍內(nèi)篩選并自主研發(fā)減阻面料，設(shè)計(jì)減阻結(jié)構(gòu)，進(jìn)行風(fēng)洞綜合驗(yàn)證，為運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行定制研發(fā)。他們根據(jù)不同項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、速度特點(diǎn)，制備高性能減阻面料，并在全球范圍內(nèi)搜集和測(cè)試150多種面料的基礎(chǔ)性能，應(yīng)用于服裝減阻設(shè)計(jì)中。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：并不是越光滑的表面風(fēng)阻越小?！扒∏∈且环N有肌理的凹坑結(jié)構(gòu)面料，產(chǎn)生的阻力是小的?！眲⒗蚋嬖V記者，在身體不同部位，凹坑結(jié)構(gòu)的形狀、大小、深度都是不同的。同時(shí)，根據(jù)滑行姿態(tài)設(shè)計(jì)的“站不起來(lái)”的板型，不僅幫助運(yùn)動(dòng)員保持姿勢(shì)，也有效降低了阻力系數(shù)。
從項(xiàng)目階段性研發(fā)成果來(lái)看，與現(xiàn)役冬季項(xiàng)目比賽服相比，他們自主研發(fā)的多款比賽服具有更好的空氣動(dòng)力性能。經(jīng)風(fēng)洞測(cè)試驗(yàn)證，最佳姿態(tài)速滑服比海外采購(gòu)的減阻超11%；新款短道速滑服最大減阻率超過(guò)10%；根據(jù)高山滑雪項(xiàng)目各小項(xiàng)速度差異較大的特點(diǎn)，細(xì)化有關(guān)比賽服設(shè)計(jì)，其最大減阻率超過(guò)9%。
在追求“快”的同時(shí)，“護(hù)”“暖”“美”也是科研人員攻關(guān)的核心技術(shù)問(wèn)題。
冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目危險(xiǎn)性極高，運(yùn)動(dòng)員損傷風(fēng)險(xiǎn)較大，比如沖撞、刺割等損傷。因此，無(wú)論是在訓(xùn)練還是比賽過(guò)程中，都需要為選手提供很好的保護(hù)。
最新研發(fā)的訓(xùn)練和比賽裝備中暗藏了不少高科技。如高山滑雪訓(xùn)練防護(hù)服中，采用了新型柱狀陣列式抗沖擊結(jié)構(gòu)和新型吸能緩震材料，可以有效保護(hù)高山滑雪運(yùn)動(dòng)員穿越旗門時(shí)的抽打傷害。短道速滑比賽服則整體使用高彈防切割面料，全面保護(hù)運(yùn)動(dòng)員的身體，同時(shí)考慮肌肉壓縮、服裝減阻等功能，“在保持彈性的基礎(chǔ)上，防切割性能提高了20%-30%”。
“暖”也是冬季項(xiàng)目服裝的普遍需求。要讓所有冬季項(xiàng)目的訓(xùn)練和比賽服裝都能暖和，科研人員想出了“兩條路”：一是提升纖維保暖率；二是使用主動(dòng)加熱技術(shù)，把電能量轉(zhuǎn)化成熱量。被稱為“堡壘”的綜合保暖系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，集防風(fēng)、防水、透氣、耐磨多功能高效保暖于一體。
綜合保暖系統(tǒng)包含主動(dòng)電加熱護(hù)臉、馬甲、外套、手套、襪子、坐墊等裝備，通過(guò)智能主動(dòng)加熱技術(shù)，保障穿著人員在零下30℃環(huán)境下可持續(xù)作業(yè)8小時(shí)以上。
不僅如此，科研人員還研發(fā)出一系列高科技裝備，助運(yùn)動(dòng)員一臂之力。如通過(guò)雙滑輪腹內(nèi)壓快速增壓技術(shù)和石墨烯傳導(dǎo)熱快速加熱技術(shù)，可快速增強(qiáng)腰椎穩(wěn)定性、促進(jìn)核心穩(wěn)定肌功能恢復(fù)的特制腰帶；通過(guò)雙面立體點(diǎn)膠和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的專用運(yùn)動(dòng)襪，增強(qiáng)技巧類項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；為運(yùn)動(dòng)員量身打造的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)護(hù)具，等等。
可以想見，在即將到來(lái)的北京冬奧會(huì)上，中國(guó)軍團(tuán)的運(yùn)動(dòng)裝備將是“黑科技”滿滿。
科學(xué)訓(xùn)練人工智能輔助系統(tǒng)給教練員裝上“第三只眼”
調(diào)整呼吸，飛速下滑，加速、起跳，在落差100多米山地自由飛翔，然后平穩(wěn)落地……對(duì)于跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員來(lái)講，這一系列動(dòng)作已然刻印于心。
滑行速度、起跳的時(shí)機(jī)與方向、手臂擺動(dòng)的角度、自身的狀態(tài)，等等，都是影響其成績(jī)的重要因素。這就要求運(yùn)動(dòng)員具備精準(zhǔn)的身體姿態(tài)控制能力。
由于各個(gè)動(dòng)作的瞬時(shí)性，在傳統(tǒng)訓(xùn)練過(guò)程中，為了讓運(yùn)動(dòng)員每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)動(dòng)作都達(dá)到“最優(yōu)”，教練員的做法通常是用視頻記錄，然后回放分析。然而，受觀測(cè)距離、角度等方面影響，這一做法也有一定局限性?！斑\(yùn)動(dòng)員在畫面中很小，很難發(fā)現(xiàn)諸如手臂擺動(dòng)角度、膝踝距離差等方面的細(xì)微差別，而這些恰恰對(duì)于成績(jī)影響很大?！睋?jù)有關(guān)研究人員介紹。
如今，在科技加持下，這一問(wèn)題有了解決方案。
劉宇，上海體育學(xué)院科學(xué)研究院院長(zhǎng)，也是國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)“冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。他帶領(lǐng)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)適合雪上運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)效率和運(yùn)動(dòng)能力提升的神經(jīng)-生物力學(xué)增強(qiáng)技術(shù)與干預(yù)模式，利用人工智能輔助系統(tǒng)捕捉運(yùn)動(dòng)員三維動(dòng)作，實(shí)時(shí)采集起跳角度、速度、姿態(tài)控制、距離等數(shù)據(jù)，為提升運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練效果和參賽競(jìng)技表現(xiàn)能力提供科技保障服務(wù)。
“有了最新突破！”8月18日，在接受記者采訪時(shí)，劉宇十分高興。他告訴記者，他的團(tuán)隊(duì)即將奔赴河北淶源國(guó)家跳臺(tái)滑雪訓(xùn)練科研基地交付新的研究成果。
記者了解到，此前，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)在跳臺(tái)滑雪出發(fā)臺(tái)架設(shè)多臺(tái)高速攝像機(jī)，對(duì)助滑、起跳動(dòng)作進(jìn)行三維動(dòng)作捕捉和技術(shù)分析，然后基于人工智能圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)時(shí)反饋出起跳臺(tái)時(shí)的三維動(dòng)作信息，包括起跳開始蹬伸距離、起跳時(shí)下肢三個(gè)關(guān)節(jié)的角度、身體姿態(tài)、飛行初期的攻角、雪板的仰角等關(guān)鍵生物力學(xué)指標(biāo)，幫助教練員和運(yùn)動(dòng)員掌握分析每一個(gè)時(shí)刻的技術(shù)動(dòng)作細(xì)節(jié)。
如今，這一輔助系統(tǒng)有了“升級(jí)版”。根據(jù)使用方建議，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將在滑道側(cè)面的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)位，如距離出發(fā)臺(tái)20m、40m、60m、80m、100m、落地區(qū)等架設(shè)實(shí)時(shí)高速視頻攝制系統(tǒng)，并基于單目相機(jī)的人工智能算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員上述關(guān)鍵位置的三維動(dòng)作捕捉分析，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)控制的機(jī)器搖臂實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員全過(guò)程及關(guān)鍵點(diǎn)位動(dòng)作的記錄，并快速生成有關(guān)數(shù)據(jù)。有關(guān)視頻和生物力學(xué)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，便于后續(xù)戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作分析等工作的進(jìn)行。
與此同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還利用可穿戴傳感器技術(shù)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員全程速度、加速度及其雪板進(jìn)行空間位置精確跟蹤、測(cè)定，優(yōu)化其動(dòng)作控制。
這是過(guò)去用傳統(tǒng)的錄像方法很難快速獲取的信息?！疤_(tái)滑雪選手的助滑速度、起跳角度、身體三維姿態(tài)等，過(guò)去只能依靠教練的經(jīng)驗(yàn)感覺(jué)和簡(jiǎn)單視頻分析，現(xiàn)在能提供精準(zhǔn)量化的快速反饋、技術(shù)診斷，提出改進(jìn)方案?！眲⒂钫f(shuō)，這等于給了教練員“第三只眼睛”。而使用方也表示，這位數(shù)字“教練”提供的數(shù)據(jù)對(duì)于診斷運(yùn)動(dòng)員各環(huán)節(jié)動(dòng)作的短板、加快提高成績(jī)很有幫助。
不僅是跳臺(tái)滑雪，“冬季項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)成果目前已在多支冬季項(xiàng)目國(guó)家隊(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化與應(yīng)用研究，為運(yùn)動(dòng)員科學(xué)訓(xùn)練、競(jìng)技表現(xiàn)能力的提升尋求關(guān)鍵突破。
“在‘科技冬奧’重點(diǎn)專項(xiàng)中，科學(xué)訓(xùn)練與比賽關(guān)鍵技術(shù)是一個(gè)重要領(lǐng)域?！笨萍疾可鐣?huì)發(fā)展科技司二級(jí)巡視員王小龍告訴記者，圍繞運(yùn)動(dòng)員科學(xué)選材、運(yùn)動(dòng)員技能優(yōu)化、體能訓(xùn)練和訓(xùn)練監(jiān)控、科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)等方面，已部署19個(gè)項(xiàng)目，目的就是要研發(fā)科學(xué)化訓(xùn)練方法和裝備、建立智慧化比賽訓(xùn)練場(chǎng)地、提高訓(xùn)練效率和質(zhì)量、提升運(yùn)動(dòng)員比賽水平。
目前，一批研究成果已轉(zhuǎn)化應(yīng)用：高水平運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作優(yōu)化分析系統(tǒng)提升自由式滑雪空中技巧等項(xiàng)目高難度動(dòng)作表現(xiàn)，動(dòng)作成功率提升約15%；國(guó)內(nèi)首套人體高速?gòu)椛溲b置，已經(jīng)成為速度滑冰國(guó)家隊(duì)開展彎道技術(shù)專項(xiàng)訓(xùn)練的重要輔助手段，解決了冬季項(xiàng)目訓(xùn)練受環(huán)境時(shí)間限制的難點(diǎn)……
外圍保障首次實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形下“百米級(jí)、分鐘級(jí)”氣象預(yù)報(bào)，直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)受傷運(yùn)動(dòng)員只需4分鐘
與夏季奧運(yùn)會(huì)項(xiàng)目多在體育場(chǎng)館內(nèi)舉行不同，冬奧會(huì)項(xiàng)目多在室外山地舉行。除了運(yùn)動(dòng)裝備、運(yùn)動(dòng)員自身水平外，溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向及雪質(zhì)等自然條件的差異，將會(huì)直接影響賽程安排以及運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)、比賽安全。
據(jù)有關(guān)專家介紹，北京2022年冬奧會(huì)是近20年來(lái)唯一一次在大陸性冬季風(fēng)主導(dǎo)氣候條件下舉辦的冬奧會(huì)。大風(fēng)、低溫、低能見度、降雪等將是冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)面臨的主要天氣風(fēng)險(xiǎn)，復(fù)雜相態(tài)降水、沙塵天氣等也可能出現(xiàn)，加之項(xiàng)目不同、場(chǎng)地不同，對(duì)氣象條件的要求也不同，氣象保障可謂是挑戰(zhàn)重重。
“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)管理機(jī)構(gòu)、中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心副主任柯兵告訴記者，圍繞氣象條件預(yù)測(cè)保障，“科技冬奧”重點(diǎn)專項(xiàng)作了相應(yīng)部署。我國(guó)自主研發(fā)的高精度天氣預(yù)報(bào)“睿圖-睿思”系統(tǒng)由此誕生，首次實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地形下“百米級(jí)、分鐘級(jí)”預(yù)報(bào)。
“也就是說(shuō)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜地形下100米分辨率、逐10分鐘快速更新的冬奧關(guān)鍵氣象要素預(yù)報(bào)。”據(jù)有關(guān)氣象專家介紹，氣象部門在北京城區(qū)、延慶和河北崇禮鋪設(shè)冬奧氣象綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，布設(shè)了441套各類探測(cè)設(shè)施，大幅提升了復(fù)雜地形和下墊面條件下溫度、濕度、風(fēng)場(chǎng)等要素預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率，有助于為提前24小時(shí)的精細(xì)氣象決策提供支持。
這套高精度天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)在今年2月、4月的“相約北京”測(cè)試活動(dòng)期間接受了檢驗(yàn)。根據(jù)氣象服務(wù)團(tuán)隊(duì)提供的天氣預(yù)報(bào)，14項(xiàng)賽事的官方訓(xùn)練或比賽進(jìn)行了賽程調(diào)整。
不僅如此，張家口賽區(qū)還用上了激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)。據(jù)介紹，雪上賽道地理環(huán)境復(fù)雜、風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜多變，運(yùn)動(dòng)員在高速下滑的過(guò)程中，極易受到賽道突變的縱風(fēng)及橫風(fēng)影響。因此，對(duì)賽道縱風(fēng)及橫風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與危險(xiǎn)預(yù)警，可為賽事管理人員、運(yùn)動(dòng)員及教練員提供輔助決策依據(jù)，對(duì)冬奧會(huì)滑雪比賽的順利進(jìn)行、運(yùn)動(dòng)員的正常發(fā)揮等具有重要意義。
與此同時(shí)，在世界頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員激烈比拼背后，還有“科技+醫(yī)療”的全程保駕護(hù)航。
冬奧運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目大多難度大、危險(xiǎn)性高，比如高山滑雪滑降比賽，運(yùn)動(dòng)員從高山上往下滑，時(shí)速要在10秒內(nèi)從靜止增加到130公里，鋼架雪車的最高時(shí)速能達(dá)到135公里。在這種情況下比賽，運(yùn)動(dòng)員稍有不慎就可能發(fā)生意外。國(guó)際奧委會(huì)一項(xiàng)數(shù)據(jù)顯示，冬奧雪上項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員的受傷概率基本上在10%至14%。
一旦發(fā)生意外，如何讓運(yùn)動(dòng)員可以在第一時(shí)間得到快速有效的救治甚至返場(chǎng)，是冬奧會(huì)服務(wù)保障中的重要一環(huán)。
“從云頂滑雪場(chǎng)到崇禮院區(qū)，直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)只需4分鐘；從雪車雪橇賽場(chǎng)到延慶創(chuàng)傷中心，智能救護(hù)車由原來(lái)的30分鐘縮短至15分鐘，直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)也只需4分鐘……這些從賽場(chǎng)到保障醫(yī)院的急救轉(zhuǎn)運(yùn)能力是對(duì)賽事醫(yī)療救護(hù)水平的切實(shí)需求?！薄翱萍级瑠W”重點(diǎn)專項(xiàng)“冬奧會(huì)運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷防治和臨床診療安全保障技術(shù)體系的建立與應(yīng)用研究”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、北京大學(xué)第三醫(yī)院教授崔國(guó)慶表示，特別是轉(zhuǎn)院流程的簡(jiǎn)化與優(yōu)化，使崇禮院區(qū)及延慶院區(qū)與北醫(yī)三院做到創(chuàng)傷中心聯(lián)動(dòng)、信息共享，運(yùn)動(dòng)員綠色通道得以建立。
該項(xiàng)目還設(shè)置“冬季運(yùn)動(dòng)損傷數(shù)據(jù)庫(kù)、AI影像輔助診斷技術(shù)及遠(yuǎn)程會(huì)診中心的建設(shè)與應(yīng)用”課題，就是希望實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的收集、分析與整合，建立完善的智能影像輔助診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)診療全流程智能化輔助判斷。
目前，項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)人工智能影像識(shí)別算法在膝關(guān)節(jié)大病種的識(shí)別率達(dá)85%以上，初步搭建包含協(xié)和醫(yī)院、北醫(yī)三院、吉大一院等11家醫(yī)院在內(nèi)的醫(yī)聯(lián)體網(wǎng)絡(luò)，共建遠(yuǎn)程會(huì)診中心。
這些“黑科技”“生”于冬奧，卻不止于冬奧。未來(lái)，這些都將變成寶貴的“奧運(yùn)遺產(chǎn)”，應(yīng)用到更多場(chǎng)景，惠及更多人。
