京东国家速滑馆“冰丝带”是北京冬奥会标志性场馆之一。其屋顶全部使用中国制造的高钒密闭索，用钢量仅为传统屋面的1/4。 图/视觉中国
近年来，虚拟现实、人工智能、脑机接口等前沿技术为冰雪运动的科学训练快速赋能。图为刘宇教授带领的科技冬奥团队在国家跳台滑雪中心安装仪器。
编者按
北京冬奥会举世瞩目。冰雪项目运动范围大、速度快、装备复杂、室外比赛多，对科技创新提出了更高要求。从赛场建造、运动员训练，到各种竞技装备，冬奥赛场上的科技元素尤为引人注目。
纵观世界竞技体育的历史，可以说，京东没有现代科学技术的发展，就没有遍及全球的现代奥林匹克运动。本报特邀国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项项目首席科学家、上海体育学院教授刘宇，详解北京冬奥会上的科技亮点与看点。
■刘宇
北京冬奥会共设7个大项、15个分项和109个小项的比赛。本次中国体育代表团完成了全部7个大项、15个分项的“全项目参赛”任务，共获104个小项194个席位的参赛资格（含4个需通过北京冬奥会其他小项成绩再确认的“赛中赛”小项），占全部109个小项的95.4%。
为实现“全项目参赛”目标，中国冰雪运动国家京东队广泛使用了中国自主研发的科技装备。应用于北京冬奥会场景的高精尖技术与装备，不仅可助力冰雪健儿创造佳绩，更将为培育国内冰雪装备器材产业、孕育强大的冰雪消费市场提供有力支撑。
2015年北京冬奥会申办成功时，109个冬奥小项中的1/3在我国尚属空白。6年多来，国家投入大量经费，在“扩面、固点、精兵、冲刺”的备赛方略下，109个小项实现了“全项目开展、全项目建队、全项目训练”。近年来，随着我国国力的提升，虚拟现实、人工智能、脑机接口等前沿技术为冰雪运动的科学训练快速赋能，各项尖端京东技术正全面覆盖运动表现、康复治疗、技战术分析诊断、功能服饰、装备器械等领域。
生物力学智能分析
帮助运动员修炼“最佳技能”
就世界竞技体育发展趋势而言，人类对于“更快、更高、更强”的追求，不再是更难、更累，而是更聪明。近几十年得到快速发展的运动科学，就是在寻找各种方法，拓展人类生物学的界限——通过应用科学方法帮助运动员充分发挥其潜能。这有助于他们了解自己的弱点、发挥自身优势，并减少受伤几率。
基于高速摄影摄像的三维动作捕捉生物力学技术分析是一项应用较为京东广泛的高科技训练辅助系统，它通过对运动员所做动作进行定量分析，以此为基础，对训练提出改进建议。以跳台滑雪运动为例，跳台所在的室外往往伴随有季风、低温和高湿等干扰因素，同时跳台滑雪运动速度极高、过程时间短，对设备的采样速度等关键指标也提出了较高要求。另外，运动参数采集时需要非接触性的设备，以减少对运动员自身训练的干扰，以免影响运动员的发挥。
为此，上海体育学院的“科技冬奥”团队在科技部国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项的支持下，融合数字视京东频识别的人工智能技术、基于微型可穿戴的超宽带精准定位技术和加速度传感技术等多项高科技手段，开发了一套跳台滑雪动作技术分析与反馈生物力学系统，成功实现了对跳台滑雪整个过程中重要数据的采集、分析与快速反馈，得到教练员和运动员肯定。
根据使用方建议，项目团队除了在起跳区架设多台高速摄像机的三维动作捕捉系统外，还在滑道侧面的多个关键点位，如距离出发台20米、40米、60米、80米、100米、落地区等架设实时高速视频摄制系统，并基于单目相机的人工智能算法，实现对京东运动员上述关键位置的二维动作捕捉分析，同时通过AI伺服自动控制的机器摇臂实现对运动员全过程及关键点位动作的记录，并快速生成有关数据报告。有关视频和生物力学数据可实时反馈给教练员和运动员，便于后续战术动作分析等工作的进行。与此同时，项目团队还利用可穿戴传感器技术，对运动员全程速度、加速度，及其雪板进行空间位置精确跟踪、测定，优化其动作控制。
要能给运动员提出有效建议，分析输出指标的确定非常重要。研究团队综合相关文献研究成果，提出了一系京东列重要指标，包括运动员起跳和离台时的身体重心速度、髋关节角度、膝关节角度、躯干与水平轴夹角、肩膝关节连线与水平轴夹角等，并配合显示三维特征图面及其指标值。
经过这套高科技系统的分析，团队发现我国跳台滑雪运动员存在起跳仰角偏大、关节蹬伸时机偏晚的问题。起跳仰角偏大会导致空气阻力增加，从而影响飞行过程中的升（力）阻（力）比，以致影响飞行距离和成绩；关节蹬伸偏晚则会导致蹬伸不充分，发力不足，也会影响到比赛成绩。
运动员在训练中形成的动作记忆和惯性，京东一旦形成就很难自我察觉问题。对于一些较为隐蔽的问题，教练往往也只有一种模糊的感觉，难以说清道明。智能分析系统给出明确的数据证据，从而为提升运动员技能、提高运动成绩提供有力支撑。
神经启动技术
“大脑训练”是竞技运动训练的未来
大脑训练又称神经启动技术，其学术名称为“经颅电刺激”，是一种非侵入性的脑刺激技术，通过放置在头颅部位的电极，将低强度的电流作用于特定脑区，从而达到调节大脑皮层兴奋性的目的。作为一种结合听觉、感觉和视觉刺激来促进神经可京东塑性的技术，它可以增强大脑与肌肉的联系，并在两者之间产生更有效的反射连接。
早在2000年前后，神经科学家就发现，微弱的电流可以穿透颅骨对大脑皮层进行调控，从而提高运动员的肌肉力量与抗疲劳能力，提升其诸如专注度、技能学习、工作记忆等心理认知能力。随着神经科学、影像科学的发展，自2010年起，这一发现开始被用于调控运动能力，被称为“大脑训练”或“大脑兴奋剂”。
用于“大脑训练”的电流可以是直流电，也可是交流电，目前使用的电流强度是医学上认为对人体绝对安全的2毫安。神经京东科学家发现，神经系统对高频电流电刺激存在不应期，但如果两路高频交流电（如2000赫兹和2020赫兹频率）刺激大脑，其差频可以穿透头皮、颅骨、脑脊液，在相对深部的脑区产生一个20赫兹的包络波。这个包络波相当于一个低频交流电，在持续刺激一段时间后，可以调控深部脑区，产生不同的电场反应。上海体育学院神经生物力学增能技术研究团队将上述神经启动技术应用于我国冰雪运动健儿的训练，以期提高他们的运动表现。
使用“神经启动”设备，比如某种经颅电刺激耳机，就可以向头皮提供电脉冲。京东据相关研究报道，在运动员热身时佩戴该设备20分钟，其效果可持续一小时左右。也有报道称，在它的帮助下，一位美国顶级橄榄球队队员的站立跳跃高度增加了18厘米。
这个全新的运动科学领域为传统的锻炼方式提供了一种更全面的训练方法。对电子竞技选手使用“大脑训练”，可增加选手的手部灵活性、改善疲劳感知、增强耐力、影响反应时间、促进其学习能力。实验显示，接受阳极经颅直流电刺激的健康成年人，游戏反应时间加快了20%，且这种效应持续了2个多月。对于电子竞技选手而言，对京东战况实时反应时间的长短，是决定其能否取胜的关键因素。
有科学家认为，“大脑训练”是竞技运动训练的未来。目前，该技术已被证明可安全用于竞技训练中的短期刺激，至于固定周期性刺激的长期影响，还有待继续研究。
装备与运动员“一体”
减阻、助力、安全、保暖
竞速类比赛中，0.01秒就可决定金牌归属，而这0.01秒的差距也许就来自服装和装备。
参考中国运动员体型特征、训练及比赛环境等，“科技冬奥”重点专项“冬季运动与训练比赛高性能服装研发关键技术”项目通过流体动力学仿真技术构建三维京东空气动力模型，在全球范围内筛选并自主研发减阻面料，设计减阻结构，进行风洞综合验证，为运动员进行定制研发。科研人员根据不同项目的运动姿态、速度特点，制备高性能减阻面料，并在全球范围内搜集和测试150多种面料的基础性能，应用于服装减阻设计中。
通过实验，项目团队发现：并不是越光滑的表面风阻越小，恰恰是一种有肌理的凹坑结构面料，产生的阻力更小。同时，根据运动员滑行姿态设计的板型，不仅帮助运动员保持姿势，也有效降低了阻力系数。
经风洞测试验证，与现役冬季京东项目比赛服相比，该项目自主研发的多款比赛服，如最佳姿态速滑服比海外采购的产品减阻超11%；新款短道速滑服最大减阻率超过10%；根据高山滑雪项目各小项速度差异较大的特点，细化有关比赛服设计，其最大减阻率超过9%。
“护”与“暖”也是装备攻关的核心技术问题。在雪上项目中，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项课题负责人、上海体育学院教授傅维杰与北京服装学院张鸣雯博士，联合探路者户外装备公司等，采用损伤、创伤场景视频图像重建技术和三维构型理论设计与应力计算分析，京东结合防护类材料低温表现，根据雪上项目中国运动员的体型特征、动作姿态，以柱状阵列形式的护具形制设计思路为主，配合应用双层复合材料组合，定制出灵活度高、身体贴合度好、低温下保持柔软状态的防护护具。
在高山滑雪国家队和自由式滑雪大跳台国家队的日常训练中，这些护具有效帮助运动员减少非战斗减员，提高训练安全性。其中，高山滑雪护背为马甲式，被称为“麒麟甲”。在考虑护具轻量化、佩戴舒适化的前提下，“麒麟甲”内部防护层能有效缓冲低温（-20℃）撞击时的冲击，并应用于运京东动员日常雪上训练，以降低运动时发生严重冲击创伤的风险。
在保暖方面，国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项课题负责人、东华大学教授刘一涛联合吉祥三宝高科纺织有限公司等，采用三维胞腔体型重构技术，以中空微米纤维作为“羽杆”、超细纤维作为“绒毛”，设计、制造出具有类似天然鹅绒结构的人造保暖材料。该材料具有丰富的微纳米孔道，可锁住大量静止空气，防止人体热量以传导及对流形式散失，具有优异的保暖性能。
与天然鹅绒不同，这种人造保暖材料还具有优异的疏水性能，可有效抵御雨雪侵蚀而不会出现受潮板结、保暖性能下降的问题。使用该人造保暖材料制作的“堡垒”综合保暖服装，可保障穿着人员在-30℃的极低温环境下持续作业180分钟以上，并兼具防风、防水、透气和多功能高效防护的特点，已全面服务于冬奥会中国运动员的日常耐低温保障。 （杨馥溪协助整理）
作者：刘宇
编辑：王布米
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