多學(xué)科交叉融合突破領(lǐng)域壁壘 科技助力冬奧健兒創(chuàng)佳績

現(xiàn)代體育競賽絕非一個(gè)人的“戰(zhàn)斗”，背后的科技支撐不可或缺，特別是當(dāng)其體現(xiàn)在奧運(yùn)健兒訓(xùn)練備戰(zhàn)之中時(shí)。隨著北京2022年冬奧會(huì)的腳步臨近，很多觀眾們會(huì)關(guān)注在比賽中，高山滑雪如何快速繞過旗門;越野滑雪用什么姿態(tài)最省力;跳臺(tái)滑雪用哪種姿勢起跳最好;速度滑冰怎樣訓(xùn)練提高過彎道的技能?

“對(duì)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的影響包括人、機(jī)、環(huán)境等多種因素。我們現(xiàn)在做的就是在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽中，針對(duì)影響其技術(shù)動(dòng)作發(fā)揮的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)新型的訓(xùn)練裝置和運(yùn)動(dòng)器械，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作姿態(tài)，從而提高他們的比賽成績。”1月13日，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院副院長霍波教授在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)介紹道。

不久前，記者在北京市科協(xié)主辦的“科技助力冬奧”科學(xué)傳播沙龍上了解到，北理工承擔(dān)了科技部“科技冬奧”專項(xiàng)“國家科學(xué)化訓(xùn)練基地建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目，歷時(shí)三年，通過多學(xué)科交叉融合，突破領(lǐng)域間壁壘，打通“學(xué)—研—用”全鏈條，進(jìn)行冰雪運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究和研制相關(guān)運(yùn)動(dòng)裝備，建設(shè)冬季項(xiàng)目國家科學(xué)化訓(xùn)練基地。

霍波進(jìn)一步指出，在冬奧會(huì)項(xiàng)目中，高山滑雪的繞旗門回轉(zhuǎn)動(dòng)作、越野滑雪中上坡的二步交替滑行技術(shù)、平地和下坡的同時(shí)推進(jìn)滑行技術(shù)，以及跳臺(tái)滑雪中助滑后的起跳角度、飛行姿態(tài)等都屬于關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)作。而完成動(dòng)作時(shí)的姿勢涉及運(yùn)動(dòng)員的速度、角度，還有心肺功能、骨骼肌肉等生理參數(shù)，因此，競賽成績對(duì)運(yùn)動(dòng)員本身的要求頗高。

圍繞具體的研究目標(biāo)，霍波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)先進(jìn)的技術(shù)，探索訓(xùn)練中解決問題的“最優(yōu)解”——基于三維動(dòng)作捕捉和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬技術(shù)、生理傳感器技術(shù)、肌骨動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)等，研發(fā)“冬季項(xiàng)目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)”，為運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)性化、智能化訓(xùn)練方案，實(shí)時(shí)可以采集不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目下運(yùn)動(dòng)員的三維姿態(tài)參數(shù)，以及該動(dòng)作下所產(chǎn)生的地面反作用力、空氣阻力等，形成該運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析及訓(xùn)練方案的制定提供支持。

如何將研發(fā)的技術(shù)及裝備應(yīng)用到北京冬奧的訓(xùn)練備戰(zhàn)中?霍波答道：“首先，在高山滑雪、雪車、雪橇等運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場，想要測量運(yùn)動(dòng)員的滑行軌跡，就需要構(gòu)建真實(shí)的場景，采用冬季項(xiàng)目場景三維感知及重建技術(shù)。我們采用激光雷達(dá)，在無人機(jī)從賽道上飛過時(shí)，通過激光點(diǎn)精確記錄賽場的山形地貌的圖像，并測量賽場實(shí)地的情況，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)員身上佩戴基于衛(wèi)星的定位跟蹤器，將其運(yùn)動(dòng)的位置顯示在賽道上。在測量、分析地面反力時(shí)，用到足底壓力鞋墊，在鞋墊中集成一系列壓力傳感器，得到地面反力的數(shù)據(jù)。在足底壓力鞋墊不適用的情況下，可以通過視頻采集運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，以此來預(yù)測分析地面反力。”

為了不影響運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練，研究人員采用高速、分辨率較高的相機(jī)系統(tǒng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)員大范圍、遠(yuǎn)距離、快速移動(dòng)情況下的動(dòng)作進(jìn)行捕捉，然后利用基于深度學(xué)習(xí)的姿態(tài)識(shí)別技術(shù)，得到每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的軌跡。

與此同時(shí)，霍波團(tuán)隊(duì)建立了全人體的骨骼肌肉模型，針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)，關(guān)注關(guān)鍵肌肉群，通過人體動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算獲得骨骼受的力和肌肉受的力，由此，分析演算運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中骨骼損傷度，以及如何避免損傷等狀況。還精確研究分析機(jī)械耦合人體運(yùn)動(dòng)的情況，比如，受空氣阻力影響，跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員在飛行過程中雪板變形振動(dòng)，會(huì)如何影響到其運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)和飛行距離。

當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在雪上“飛”時(shí)，速度非常快。如何考慮空氣阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)的影響?霍波說，比如跳臺(tái)滑雪的速度可達(dá)每秒30米，空氣阻力相當(dāng)大。我們從兩個(gè)方面研究：通過實(shí)驗(yàn)，利用風(fēng)洞，施加風(fēng)速，測量運(yùn)動(dòng)員所受的力、合力矩等;采用數(shù)值模擬，得到一些數(shù)據(jù)庫，加到建立的人體運(yùn)動(dòng)模型中，就可得到人體所受到的空氣阻力，以及對(duì)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的定量影響。

由此，通過冬季項(xiàng)目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)，教練員與運(yùn)動(dòng)員得以更直觀、更科學(xué)的方式深入了解運(yùn)動(dòng)員全過程運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)比每次生成的分析報(bào)告，持續(xù)調(diào)整運(yùn)動(dòng)姿勢和發(fā)力方式等，助力運(yùn)動(dòng)員不斷提升訓(xùn)練成績，力爭冬奧奪金。(華 凌)