走进冬奥最强大脑:运动员成绩提升的秘密,这些科学家都知道

南方都市报APP • 察时局
原创2022-01-25 10:26
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北京冬奥会脚步临近,赛场上运动员奋力拼搏,背后也少不了各国高科技的比拼。

2017年,国家体育总局向全国理工类高校发出号召,“体育需要科技的介入”。在响应的高校中,北京理工大学就是其中一所。在此之前,这所军工特色为主的高校并没有多少和体育特别是冰雪运动“跨界合作”的经验。

4年过去,2021年7月,北理工宇航学院副院长同时也是科技冬奥项目负责人的霍波教授从体育总局冬季运动管理中心接过一份聘书,正式成为18位“中国冰雪科学家”中的一员。他所在的团队凭借“精确到肌肉”的冬季运动智能训练系统,改变了此前裁判员打分主要靠主观判断难度系数的历史,推出的4项量化指标进入了国家队评分表。

“国家队需要什么和我们能做什么结合起来,不断碰撞出服务场景。”北理工光电学院副教授张海洋告诉南都记者。和霍波团队一样,他所在的课题组跟随国家队四处服务,把科研实验室搬到了赛场上。近日,在张海洋的实验室,南都记者见到了他主导建立的运动信息多源实时采集与显示系统,并佩戴VR眼镜沉浸式体验滑雪赛道。

霍波、张海洋这样的科学家团队被称为冰雪运动背后的“最强大脑”,他们如何助力冬奥会备战取得优秀成绩?南都记者和他们聊了聊。

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霍波 北京理工大学宇航学院副院长、科技冬奥专项项目负责人。针对冰雪项目,发展运动学、动力学、生理功能监测和分析技术,建立骨骼肌肉生物力学模型和分析方法,将人体动力学分析方法相关成果运用于雪车、雪橇等国家队备战训练中。

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张海洋  北京理工大学光电学院副教授 ,他主导建立的运动信息多源实时采集与显示系统,帮助教练员纠正训练动作和提高训练效率,已应用于国家队的日常训练。

南都对话:

体育界需要科技的介入

南都:北理工承担了科技部“科技冬奥”专项“国家科学化训练基地建设关键技术研究与示范”项目,您的团队主要负责哪些工作?

霍波:我的课题组之前主要做骨骼力学和细胞力学,是偏基础的研究。2017年,国家体育总局向全国理工高校发出号召,“体育界需要科技的介入”。我们从那时候起开始跟体育界合作,把生物力学的一些技术应用到体育运动员科学化训练上面,到现在已经有四年时间。整个项目共有6个课题,我是项目负责人,具体负责研发“冬季项目训练智能管理系统”。

我们主要关注几个冬奥项目的关键问题。比如高山滑雪的运动员绕旗门的回转动作,还有越野滑雪中上坡的二步交替滑行技术、平地和下坡的同时推进滑行技术,跳台滑雪的起跳角度和飞行姿态,速度滑冰的入弯道技术,怎么控制离心力、怎么蹬冰,都对最后的成绩非常关键。

对于运动员来说,提高成绩至关重要,影响成绩的因素中,可以被拆解为三部分:人、机、环。人就是运动员因素,包括动作姿态、生理参数和机体损伤;机指的是运动器械,比如滑板的变形、振动和摩擦阻力,雪杖的强度、变形和支撑力。环也就是环境因素,比如空气阻力、风速、风向,赛道的坡度、长度、回转曲率等。我们课题的主旨就是在运动员训练和比赛中考虑以上因素,设计新型的训练装置和运动器械,优化运动员动作姿态,最终提高运动成绩。

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运动员在高山滑雪比赛中。新华社发

张海洋:我来自冬季项目场景三维感知及重建技术课题组,在6个课题中负责比较前期的数据。

我们课题组通过无人机机载激光雷达的方式,从赛道上面飞过,利用激光点可以很精确地得到赛场的三维情报数据,加上使用航拍相机,把可见光的图像和激光点结合到一起,测量出赛场的真实情况。

同时,我们在运动员身上佩戴定位跟踪传感器,运动员的位置可以显示在赛道上。这样一来,我们就构建了一个系统,在模拟的赛道显示运动员滑行的位置,运动员和教练员可以看到滑行配速以及滑行轨迹是不是可以优化。

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霍波团队在工作中。

“冠军模式”

南都:您的团队曾长期跟随国家队进行服务,和运动员教练员的交流中,他们最迫切的需求是什么?

张海洋:体育总局冬季运动管理中心对我们的要求就是,开始研究时候就要多跟国家队接触,讨论碰撞出一些应用的场景,我们再去提供服务。

运动员很乐意有科学手段帮助他们提高成绩。一般的设备会告诉运动员起点到终点的速度,还有平均速度,就完事了。但遇到滑雪中的一些关键点,比如过弯的时候的速度起点、加速够不够?小跳的起点对不对,跳得远不远?这些之前只凭运动员自己感受,没有客观数字,他们需要这些信息。每天运动员训练完后,我们都会出一份运动分析报表,提供给教练员,帮助他们做训练总结。

除了运动员,还有一些体育科研人员也要得到一手的比赛场地信息,比如赛道的坡度。只有我们提供给他们翔实、准确的数据,他们才能给运动员准确的指示:比如下坡的时候要收着点,因为马上就有一个小跳;这个坡度是45度,下一个坡度变成50度,所以要提前控制好速度等等。

其中,需求是在不停发生变化的。我们真正长时间进队是在2021年元旦期间,1月份进队之后,原本我们想的是测量山体和赛道的信息,事实上这个工作很快就处理完了。但这时候冬季运动管理中心就告诉我们,别光测地形啊,我们是给人服务的,需要测出运动员的轨迹,比如他昨天滑的路线和今天有什么区别,运动员成绩提升了,但到底是哪一块改变了?这得分析出来。

这么一来,我们确实感到工作需要更进一步,于是又接着测量,同时不断迭代我们的设备。到了3月,雪上技巧和雪上障碍的队伍向我们提出,除了运动员的滑行轨迹,能不能对运动员的空中动作也进行测量?我们和霍波教授团队一起合作了运动员动态捕捉系统,主要解决雪上项目现场准确采集和识别运动员姿态的问题。

南都:如果说能拿到一位非常优秀的运动员的滑行轨迹和配速的话,大家是否可以当作样本,参照她/他的运动轨迹进行训练?

张海洋:这种思路很符合国家队教练的思路,我们管这种轨迹叫做“冠军模式”。我们这套系统里完成了对“冠军模式”的测量,把优秀的运动员的运动曲线,和我们运动员同时同地滑行轨迹进行对比,能得到跟“冠军模式”的差距。

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运动员在10公里越野滑雪比赛中。新华社发

“精确到肌肉”

南都:以往运动员做各种动作时,肌肉怎样发力、起跳的时机怎样把握,只能靠教练员的经验和运动员的自身感觉和揣摩。我们如何提供科技支持?

霍波:运动员动作捕捉下来以后,我们接着要做人体结构分析,得到每个关节点在不同时刻的轨迹。此外,我们还需要知道运动员在不同姿态下生理的功能,其中,我们最关注的就是肌肉的电信号。因为我们想知道运动员在不同情况下哪些肌肉提供了能量、提供了力,通过在皮肤表面贴上传感器,对肌肉的电信号进行测量。

接下来就是做全身骨骼肌肉模型。此前并没有人体全身骨骼肌肉模型,我们花了三年多的时间建成,包含人体运动所需共680个肌肉及人体主要的运动关节自由度。

建好模型之后,我们针对特定运动项目(如跳台滑雪、越野滑雪)对肌肉进行简化,只保留关键肌肉群,从而可以加快计算和分析。举例来说,越野滑雪运动主要是胸大肌、背阔肌、大圆肌、腹直肌、腹外斜肌等19个关键肌肉群;跳台滑雪运动主要是竖脊肌、腹直肌等19个关键肌肉群。

获得生理参数和动力学的分析结果之后,我们就可以分析计算关键的骨骼的作用力和肌肉的作用力。例如,通过骨骼作用力可以分析骨骼损伤是如何发生的以及要如何避免损伤。

除了关注运动员本身之外,我们还研究器械和空气阻力分别对人体动力学的影响。比如,运动员在跳台滑雪和速降时的速度可以达到30米每秒,空气阻力非常大,考虑空气阻力姿态影响,我们加工完成了1:1尺寸比例的跳台滑雪运动员人体模型,进行风洞实验,施加风速,测量所受的力,采用数值模拟,形成空气阻力数据库,最终可以得到人体所受的空气阻力和对姿态、运动轨迹的定量影响。

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一位滑雪运动员在进行训练。 新华社发

跨越70度温差,四处随队服务

南都:针对本次冬奥会,在技术上有没有一些新变化?

张海洋:说实话,一开始我们对难度估计并不很高。因为我们做了近20年的激光雷达,经验还是有的。但到了雪场之后,我们就遇到了挑战。

第一,高海拔问题。无人机根本爬不上海拔2000多米的山峰,在山特别高的地方,会有横风,无人机可能被掀翻。

我们调整了飞行策略和扫描策略,选择一个合适的地形判别什么时候起飞,比如说山顶起飞,平飞到多少米之后,自动降落到一定水平高度再平飞,或者采用上爬式,根据不同的山势或者不同的需求来做测量。

第二是低温,这也很头疼。雪场零下20多度是常见的,对此我们升级了激光雷达的预热系统和电池温度管理系统,能够满足零下30度以内的正常飞行。

但也有一些极端情况,比如我们在崇礼测试越野滑雪和冬季两项的时候,白天中午的温度就达到了零下35度,超过了设备承受极限。最后没办法了,无人机载激光雷达用不了,我们只好换成了地基激光雷达。好处是更耐低温,测量距离适中,但效率慢,尤其雪道是高低起伏的,需要人抱着激光雷达放到高坡或放到谷底,每隔100米或200米打个点,这种环境下长期作业对我们来说挑战很大。

南都:把这科研的场地换到雪场是怎么一种体验?吃穿住行是怎么解决的?

张海洋:我们的学生都是年轻人,之前在学校比较封闭的环境做科研,一下子到了雪场,所以最开始他们是很兴奋的,觉得“一开门好冷啊,太有意思了!”

但过了三天吧,就不一样了,哪个学生体验过每天零下30度的生活啊,这就开始痛苦了。在延庆随队服务的时候,我们团队一般5:30起床,吃点饭,准备点粮食,就上山了。因为早上7:30运动员就到场地了。白天跟着队伍去测试,在外面冻一天,晚上回来还要处理数据,改进和调试设备,基本凌晨一两点才结束。学生换着班睡觉,这是相当辛苦的。而且国家队对于数据要求是很高的,运动员和教练都是全身心训练的状态,我们必须及时给到他们准确的数据。

因为疫情防控,我们和运动员吃住并不在一起。其实学生们都不讲究吃住条件,大家都有一种服务冬奥的荣誉感。课题组跟着国家队四处奔波,从零下35度的地方,到零上35度的地方,可以说一路走过了70度的温差。

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运动员在滑雪比赛中。    新华社发

填补国内空白,四项量化指标进入裁判评分表

南都:国家队对您的研究成果有何反馈?

霍波:我们刚去的时候面临的任务并不清晰,因为此前裁判员打分靠的是主观判断难度系数。在不断讨论和交流后,国家队在我们推出的一系列参数中选择了4项作为评判动作好与坏的指标,这4个定量指标进入了运动员的测试赛计分表,占40分(总分100分),意味着我们对国家队的技术服务受到了认可。此外,去年7月5日,体育总局冬季运动管理中心召开表彰大会,我和其他17位科学家一起被聘为“中国冰雪科学家”。

张海洋:最开始有些运动员对佩戴我们的设备并不十分理解,他们可能想的是“我是在为你服务,帮你们测试设备而已。”后来我们用数据分析告诉他们最直观的成绩变化。他们随后也转变了观念,经常说“哎让我也戴着滑一下”,看看滑得怎么样。

南都:和国外相比,我们的研究处于什么水平?

张海洋:我们这套设备目前填补了一项空白。此前我们调研了国外同行做的设备,有的只关注雪板和运动员身上某个位置的变化,有的只关注滑行路线的记录,我们不一样,我们把滑行的位置,滑行的姿态以及滑行路线进行实时采集和上传,又采用了云处理技术,计算速度更快。而且国外的产品需要带上手机一起使用,但我们的设备不需要,可以自带信号上传云端,这是我们的优势。

而且我们用的是差分定位技术,这是一种高精度的定位技术,相较于国外测量精度为米级,我们实现了厘米级,精度更高。

同类的产品,国外设备可能卖到数万元,这是因为我们之前没人去做,事实上他们只解决了能用好用的问题,但是谈不上精,我们做的是专业级的。

霍波:国外同行的体育科研报道中,基于骨骼肌肉的人体动力学研究并不多,与空气动力学相关的分析则更少,而此类研究的成果可以帮助运动员“百尺竿头更进一步”。另外,我们也在探索将骨骼肌肉系统的人体动力学分析成果应用于普通运动爱好者的日常体育训练以及一些患者的康复辅具的优化设计,期待为大众健康提供更多助力。

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“00后”滑雪运动员们在刻苦训练中。 新华社发

从冰雪“小白”到专业观众,未来技术应用将更广泛

南都:您在此前您会关注一些冰雪运动吗?

张海洋:说实话不太多,主要是做课题后才真正接触冰雪运动。我们会关注雪上项目哪些是竞速类,哪些是技巧类,研究各个项目怎么打分,至少知道怎样是滑得好。除了运动本身,我们也会关注每一个队员的情况,了解哪些队员水平比较高,包括以前是不是跨界取材进来的。总的来说,咱们的队伍都比较年轻,运动员基本在20岁上下,经验欠缺一些,但非常努力刻苦,这一点我体会很深。

要我评价的话,我现在算是一个比较专业的观众,但跟真正搞体育分析的专家还差很多。

南都:未来研究成果还将应用到什么方面?

张海洋:从去年6月份开始,我们跟国内一些做医疗、体育和雪场运营的公司都在联合开发适合推广的技术。

目前有几个方向,一个是为青少年进行滑雪姿态的纠正和滑雪技能的评级。一些10来岁的孩子在雪场滑行、过障碍,我们能在系统中监测并自动识别打分,帮他们从1到10级评级,比如旋转360度是几级。

第二是医疗方向,我们正在做的一套人体康复检测系统。人在康复过程中动作会发生变化,比如胳膊能举到90度,证明肩膀的恢复程度。

第三是运动检测,除了冰雪运动,其他的领域比如跑步、跳高、跳远,这些运动数据都可以分析。不同运动身体的发力点不同,有时候起步第一个动作也许就错了,我们可以检测出来,更好地指导训练。


南都记者 王凡 发自北京

编辑:梁建忠

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