球友吧体育 赛场情报 进入冬奥会超脑:提高运动员成绩的秘密 这些科学家都知道

进入冬奥会超脑:提高运动员成绩的秘密 这些科学家都知道

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

北京冬奥会的脚步越来越近,赛场上的运动员都在努力,而在这背后,还有各国的高科技竞赛。

2017年,国家体育总局向全国理工科高校发出“体育需要科技的介入”的号召。在响应的高校中,北京理工大学是其中之一。在此之前,这所具有军事特色的大学并没有太多与体育,尤其是冰雪运动“跨界合作”的经验。

4年后的2021年7月,北京航空航天学院副院长、冬奥科技项目负责人霍波教授收到了国家体育总局冬季运动管理中心的聘书,正式成为18名“中国冰雪科学家”之一。他的团队用“精确到肌肉”的冬季运动智能训练系统改变了之前主要靠主观判断来判断难度系数的历史,引入的4个量化指标进入了国家队评分表。

“国家队需要的和我们能做的结合起来,不断碰撞服务场景。”北理工副教授张海洋告诉南都记者。和Hobo的团队一样,他的研究小组跟着国家队到处跑,把研究实验室搬到了野外。近日,在张海洋的实验室里,杜南记者看到了他主导的体育信息多源实时采集与显示系统,并戴上VR眼镜沉浸在滑雪赛道中。

霍波、张海洋等科学家被称为冰雪运动背后的“超级大脑”。他们如何帮助准备冬季奥运会并取得优异成绩?杜南记者与他们聊了聊。

霍波,北京理工大学航天学院副院长,科技冬奥专项负责人。针对冰雪项目,发展运动学、动力学和生理机能的监测分析技术,建立骨骼肌的生物力学模型和分析方法,将人体动力学分析方法的相关成果应用于雪车、雪橇等国家队的备战训练。

张海洋理工学院光电工程学院副教授,他牵头建立了多源运动信息实时采集与显示系统,帮助教练员纠正训练动作,提高训练效率,并已应用于国家队日常训练中。

南方对话:

“体育界需要科学技术的介入”

杜南:北京理工大学承担了科技部“国家科学训练基地建设关键技术研究与示范”的“科技冬奥”项目。你的团队主要负责什么工作?

霍波:我的课题组之前主要从事骨力学和细胞力学,是偏基础的研究。2017年,国家体育总局向全国科大发出“体育界需要科技介入”的号召。此后,我们开始与体育界合作,将一些生物力学技术应用于运动员的科学训练。现在已经四年了。整个项目共有六个课题,我是项目负责人,具体负责“冬季项目训练智能管理系统”的研发。

我们主要关注几个冬奥会项目的关键问题。比如高山滑雪运动员绕旗门的转身动作,越野滑雪中上坡两步交替滑行技术,平地和下坡同时滑行技术,跳台滑雪的起跳角度和飞行姿态,速滑的转身技术,如何控制离心力,如何蹬冰,这些都是对最终成绩至关重要的。

对于运动员来说,提高成绩非常重要。在影响其性能的因素中,可以分为三部分:人、机器、环境。是人的运动员因素,包括运动姿势、生理参数和身体损伤;机器是指运动器材,如抗变形、抗振动、抗摩擦的滑板,强度大、变形

我们课题组借助无人机机载激光雷达飞越跑道,利用激光光斑可以精确获取跑道的三维信息数据。此外,通过使用航空相机,可见光图像和激光光斑相结合来测量赛道的真实情况。

同时,我们在运动员身上佩戴定位跟踪传感器,他们的位置可以显示在赛道上。这样,我们就构建了一个系统,可以显示滑手在模拟赛道上的位置,滑手和教练可以看到滑行速度和滑行轨迹是否可以优化。

流浪者队在工作。

“冠军模式”

杜南:你的球队已经在国家队服务了很长时间。在与运动员和教练交流时,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是,在开始研究的时候要多接触国家队,讨论一些应用场景,然后我们会提供服务。

运动员愿意有科学手段帮助自己提高成绩。一般设备会告诉运动员从起点到终点的速度,以及平均速度,仅此而已。但是滑雪有一些关键点,比如过弯时速度和加速度的起点。小跳的起点对吗?很远吗?之前这些都只是基于运动员自己的感受,没有客观的数字。他们需要这些信息。每天运动员训练结束后,我们都会制作一份运动分析报告表,提供给教练,帮助他们做训练总结。

除了运动员,一些体育科研人员还需要获得比赛场地的第一手资料,比如赛道的坡度。只有我们给他们提供了详细准确的数据,他们才能给运动员准确的指令:比如下坡的时候,你要守住自己的位置,因为马上会有一个小跳;这个坡是45度,下一个坡就变成50度了,要提前控制好速度等等。

其中,需求是不断变化的。我们是在2021年元旦期间真正的加入了很长一段时间的队伍,是在1月份加入队伍之后。本来我们是想测量山体和赛道的信息,但实际上这个工作很快就完成了。但是这个时候,冬季运动管理中心告诉我们,不要只测量地形。我们为人服务,需要测量运动员的轨迹。比如他昨天溜的路线和今天有什么不同?运动员成绩提高了,但哪一块变了?这个还得分析。

这样,我们真的感觉到工作需要更进一步,所以我们继续测量和迭代我们的设备。今年3月,雪上技巧和障碍团队问我们,除了运动员的滑行轨迹,是否可以测量运动员的空中动作。我们与Hobo教授团队合作的运动员动态抓拍系统,主要解决了雪上项目现场运动员姿态的准确采集和识别问题。

杜南:如果你能得到一个非常优秀的运动员的滑行轨迹和速度,你能把它作为一个样本来参照她/他的轨迹进行训练吗?

张海洋:这种思路和国家队教练是一脉相承的。我们把这条赛道称为“冠军模式”。在该系统中,我们完成了“冠军模式”的测量,将优秀运动员的运动曲线与我国运动员在同一时间同一地点的滑行轨迹进行对比,可以得出与“冠军模式”的差距。

10公里越野滑雪比赛的运动员。新华社

“精确到肌肉”

杜南:以前运动员做各种动作的时候,肌肉怎么发力,起跳时机怎么把握,只能靠教练的经验和运动员自己的感受和想法。我们如何提供技术支持?

霍波:运动员的动作被捕捉后,我们会做人体结构分析,得到各个关节点在不同时间的轨迹。此外,我们还需要了解运动员在不同姿势下的生理功能,其中我们最关心的是肌肉的电信号。因为我们想知道运动员的哪些肌肉在不同的情况下提供能量和力量,所以通过在皮肤表面贴上传感器来测量肌肉的电信号。

下一步是制作全身骨骼肌模型。以前没有人体的骨骼肌模型。我们花了三年多的时间才建成,包括人体运动所需的680块肌肉和人体关节的主要自由度。

模型建立后,我们针对特定运动(如跳台滑雪、越野滑雪)对肌肉进行简化,只留下关键肌肉群,这样可以加快计算分析的速度。比如越野滑雪,主要由胸大肌、背阔肌、大圆肌、腹直肌、腹外斜肌等19个关键肌群组成。跳台滑雪主要由竖脊肌、腹直肌等19个关键肌群组成。

得到生理参数和动力学的分析结果后,就可以分析计算出关键的骨骼力和肌肉力。比如骨力可以用来分析骨损伤是如何发生的,如何避免。

除了关注运动员本身,我们还研究设备和空气阻力对人体动力学的影响。比如跳台滑雪和速降的速度可以达到每秒30米,空气阻力非常大。考虑到空气阻力姿态的影响,我们加工了一个1:1比例的跳台滑雪运动员人体模型,进行了风洞实验,施加了风速,测得了力,用数值模拟形成了空气阻力数据库。最后可以得到人体的空气阻力以及对姿势和运动轨迹的定量影响。

一名滑雪者正在训练。新华社

跨越70度温差,处处随队服务。

杜南:这届冬奥会的技术有什么新变化吗?

张海洋:说实话,我们一开始并没有把难度估计得很高。因为我们做了近20年的激光雷达,还是有一些经验的。但是当我们到达雪原时,我们遇到了挑战。

第一,高海拔的问题。无人机根本爬不上海拔2000多米的山。山特别高的地方会有侧风,无人机可能会翻车。

我们调整了飞行策略和扫描策略,选择了一个合适的地形来确定起飞的时间,比如在山顶起飞,飞到几米后,自动降落到一定高度再平飞,或者根据不同的山况或者不同的需求,采用爬升式进行测量。

其次是低温,这也是一个让人头疼的问题。雪场零下20多度是很常见的。为此我们升级了激光雷达的预热系统和电池温度管理系统,可以满足零下30度以内的正常飞行。

但是,也有一些极端的情况。比如我们在崇礼测试越野滑雪和冬季两项的时候,白天中午温度达到零下35度,超过了设备承载极限。最后无人机载激光雷达用不上了,只好换成地基激光雷达。优点是更耐低温,测量距离适中,但效率较慢。尤其是雪道起伏,需要人拿着激光雷达放在高坡或者谷底,每隔100米或者200米做一个点。在这种环境下长期运营对我们来说是一个很大的挑战。

杜南:把这个研究点改成雪原是一种怎样的体验?衣食住行是怎么解决的?

张海洋:我们的学生都是年轻人。他们以前都是在学校封闭的环境里做科研,一下子就到了雪原,所以一开始他们很兴奋,觉得“开门这么冷,太有意思了!”

但是三天后,就不一样了。哪位同学经历过每天零下30度的生活?开始很痛苦。在延庆随队服役的时候,我们队一般都是五点半起床,吃点饭,准备点吃的,然后上山。因为运动员早上七点半就到了场地。白天跟着团队测试,外面冻了一天,晚上回来处理数据,完善调试设备,基本上凌晨一两点结束。学生轮班睡觉挺难的。而且国家队对数据要求很高。运动员和教练都处于一心一意训练的状态。我们必须及时给他们准确的数据。

因为疫情防控,我们不和运动员同吃同住。事实上,学生并不关注食物和住房条件。每个人都有服务冬奥会的荣誉感。跟着国家队,课题组跑了一圈,从零下35度的地方到零下35度的地方,可以说一路走过了70度的温差。

滑雪比赛中的运动员。新华社

填补国内空白,四项量化指标进入裁判评分表。

杜南:国家队对你的研究结果有什么反馈?

霍波:我们刚去的时候,面对的任务并不明确,因为之前裁判是靠主观判断难度系数打分的。国家队经过不断的讨论和沟通,从我们推出的一系列参数中选取了四个参数作为判断动作好坏的指标。这四项量化指标进入运动员测试评分表,占40分(总分100分),意味着我们对国家队的技术服务得到了认可。另外,去年7月5日,国家体育总局冬季运动管理中心召开表彰会,我和其他17位科学家一起被聘为“中国冰雪科学家”。

张海洋:一开始有些运动员不太理解穿我们的设备。他们可能会想:“我只是为你服务,帮你测试设备。”后来我们用数据分析告诉他们成绩最直观的变化。后来他们也转变了观念,经常说“哎,让我穿上滑滑”看看怎么样。

杜南:与国外相比,我们的研究水平如何?

张海洋:我们的设备目前填补了一项空白。之前我们调查过国外同行做的设备,有的只关注雪板和运动员位置的变化,有的只关注滑行路线的记录。不像我们,我们实时采集和上传滑行位置、滑行姿态、滑行路线,采用了云处理技术,计算速度更快。而且国外的产品需要配合手机使用,我们的设备不需要。我们可以自带信号,上传到云端,这是我们的优势。

而且我们使用的是差分定位技术,这是一种高精度的定位技术。对比国外米的测量精度,我们已经做到了厘米级,精度更高。

类似的产品,国外的设备可能卖上万元。这是因为以前没有人做过。其实他们只是解决了可用性的问题,但是没有细化。我们做的是专业的。

霍波:在国外同行的体育研究报告中,基于骨骼肌的人体动力学研究并不多,与空气动力学相关的分析就更少了,而这类研究的成果可以帮助运动员“取得巨大进步”。此外,我们也在探索如何将肌肉骨骼系统的人体动力学分析结果应用到普通运动爱好者的日常运动训练和部分患者康复辅助器具的优化设计中,希望能为大众健康提供更多帮助。

“00后”滑雪爱好者正在刻苦训练。新华社

从冰雪“小白”到专业观众,未来技术应用将更加广泛。

杜南:你以前关注过一些冰雪运动吗?

张海洋:说实话,不算多。主要是做了项目之后才真正接触冰雪运动。我们会关注哪些雪上项目是竞速,哪些是技巧,研究每个项目如何评分,至少知道如何滑好。除了运动本身,我们还会关注每个选手的情况,了解哪些选手的水平比较高,包括之前有没有被跨界抽中。总的来说,我们队伍比较年轻,运动员基本都在20岁左右。他们缺乏一些经验,但是他们很努力,这一点我很清楚。

如果要评价的话,我现在是专业观众,但离真正从事体育分析的专家还差得远。

杜南:未来的研究成果会应用在哪里?

张海洋:从去年6月份开始,我们一直在与国内一些从事医疗、体育和雪原运营的公司合作,共同开发适合普及的技术。

目前有几个方向,一个是纠正滑雪姿势,给青少年分级滑雪技术。一些10岁的孩子在雪原滑行和穿越障碍物。我们可以监控并自动识别系统中的分数,帮助他们从1到10打分,比如360度旋转是什么水平?

第二个是医学方向,我们在做的一套人体康复检测系统。人的动作在康复的过程中会发生变化,比如手臂可以抬高到90度,证明肩膀恢复的程度。

第三是运动检测。除了冰雪运动,跑步、跳高、跳远等其他领域都可以分析。不同的运动体发力不同,有时候起跑的第一个动作可能就是错的。可以检测出来,更好的指导训练。

南都记者王帆发自北京

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