現(xiàn)代體育競賽絕非一個人的“戰(zhàn)斗”，背后的科技支撐不可或缺，特別是當(dāng)其體現(xiàn)在奧運健兒訓(xùn)練備戰(zhàn)之中時。隨著北京2022年冬奧會的腳步臨近，很多觀眾們會關(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?
“對冬季運動項目的影響包括人、機、環(huán)境等多種因素。我們現(xiàn)在做的就是在運動員訓(xùn)練和比賽中，針對影響其技術(shù)動作發(fā)揮的關(guān)鍵因素，設(shè)計新型的訓(xùn)練裝置和運動器械，優(yōu)化運動員動作姿態(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報記者采訪時介紹道。
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“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”項目，歷時三年，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，進行冰雪運動生物力學(xué)研究和研制相關(guān)運動裝備，建設(shè)冬季項目國家科學(xué)化訓(xùn)練基地。
霍波進一步指出，在冬奧會項目中，高山滑雪的繞旗門回轉(zhuǎn)動作、越野滑雪中上坡的二步交替滑行技術(shù)、平地和下坡的同時推進滑行技術(shù)，以及跳臺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)動作。而完成動作時的姿勢涉及運動員的速度、角度，還有心肺功能、骨骼肌肉等生理參數(shù)，因此，競賽成績對運動員本身的要求頗高。
圍繞具體的研究目標(biāo)，霍波帶領(lǐng)團隊研發(fā)先進的技術(shù)，探索訓(xùn)練中解決問題的“最優(yōu)解”——基于三維動作捕捉和自動識別技術(shù)、空氣動力學(xué)實驗和模擬技術(shù)、生理傳感器技術(shù)、肌骨動力學(xué)分析技術(shù)等，研發(fā)“冬季項目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)”，為運動員提供個性化、智能化訓(xùn)練方案，實時可以采集不同運動項目下運動員的三維姿態(tài)參數(shù)，以及該動作下所產(chǎn)生的地面反作用力、空氣阻力等，形成該運動員的動力學(xué)數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的運動生物力學(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、雪橇等運動的現(xiàn)場，想要測量運動員的滑行軌跡，就需要構(gòu)建真實的場景，采用冬季項目場景三維感知及重建技術(shù)。我們采用激光雷達，在無人機從賽道上飛過時，通過激光點精確記錄賽場的山形地貌的圖像，并測量賽場實地的情況，同時在運動員身上佩戴基于衛(wèi)星的定位跟蹤器，將其運動的位置顯示在賽道上。在測量、分析地面反力時，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動員的運動學(xué)數(shù)據(jù)，以此來預(yù)測分析地面反力。”
為了不影響運動員訓(xùn)練，研究人員采用高速、分辨率較高的相機系統(tǒng)，對運動員大范圍、遠距離、快速移動情況下的動作進行捕捉，然后利用基于深度學(xué)習(xí)的姿態(tài)識別技術(shù)，得到每個關(guān)節(jié)點在不同時刻的軌跡。
與此同時，霍波團隊建立了全人體的骨骼肌肉模型，針對特定運動，關(guān)注關(guān)鍵肌肉群，通過人體動力學(xué)分析，計算獲得骨骼受的力和肌肉受的力，由此，分析演算運動員在運動中骨骼損傷度，以及如何避免損傷等狀況。還精確研究分析機械耦合人體運動的情況，比如，受空氣阻力影響，跳臺滑雪運動員在飛行過程中雪板變形振動，會如何影響到其運動的姿態(tài)和飛行距離。
當(dāng)運動員在雪上“飛”時，速度非常快。如何考慮空氣阻力對運動員姿態(tài)的影響?霍波說，比如跳臺滑雪的速度可達每秒30米，空氣阻力相當(dāng)大。我們從兩個方面研究：通過實驗，利用風(fēng)洞，施加風(fēng)速，測量運動員所受的力、合力矩等;采用數(shù)值模擬，得到一些數(shù)據(jù)庫，加到建立的人體運動模型中，就可得到人體所受到的空氣阻力，以及對姿態(tài)和運動軌跡的定量影響。
由此，通過冬季項目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)，教練員與運動員得以更直觀、更科學(xué)的方式深入了解運動員全過程運動狀態(tài)，對比每次生成的分析報告，持續(xù)調(diào)整運動姿勢和發(fā)力方式等，助力運動員不斷提升訓(xùn)練成績，力爭冬奧奪金。(華凌)
