《新京报》:冬奥背后的高校科研力量

点击数:    |    加入时间:2022-01-11

《新京报》2022年1月11日(记者 冯琪 吴苹苹 刘洋)报道:

冬奥背后的高校科研力量

“人因技术”精准服务于赛场设计、风洞实验室研究运动员比赛风阻问题、“全手工”回收表土助力赛区植被修复……这些炫酷的“黑科技”将成为2022年北京冬奥会赛事之外的新看点。

冬奥开幕进入倒计时。在助力“科技冬奥”的同时,各大高校的研究成果不仅将点亮本届冬奥,或还将在赛后进入日常生活中。本刊揭秘冬奥背后的“高”科技。

北京林业大学专家团队全程参与了延庆赛区生态修复,林业、水土、生态专家先期开展了“生态环境本底调查”,基于收集到的数据,制定详细的保护方案。6年来,生态修复团队共完成214万平方米的生态修复工作。

首都体育学院联合多家单位开展了“基于北斗精准时空的雪上运动智慧服务系统及冬奥会应用示范”的“北斗+冬奥”项目研究。目前该系统已应用于延庆高山滑雪中心,并助力高山滑雪、越野滑雪等项目的运动员备战冬奥。

首钢滑雪大跳台在设计中运用了“人因技术”做辅助,根据测试数据确定了最终方案。此外,其赛道剖面曲线不仅满足大跳台比赛的要求,还可通过附加临时正四面体结构在48小时内完成向空中技巧场地的转换,这一变换技术是全球首例。

大连理工大学科研团队研发了一款高性能滑雪头盔,用曲线加筋变刚度的设计技术,提升头盔的抗冲击变形能力,为运动员提供更高的安全防护级别。

天津工业大学纺织科学与工程学院刘皓团队研发了可穿戴自加热用品。保暖头套在寒冷条件下几秒钟就可加热,还可通过手机连续调节温度。

北京服装学院刘莉团队打造兼具“快、护、暖、美”的冬奥“战衣”,设计中涉及热物理学、生物力学、体育科学等多学科的研究内容。

清华大学建筑学院团队主导了张家口赛区整体及全部场馆和北京赛区首钢滑雪大跳台的规划设计。在确定“雪如意”顶部空间的掏空位置时,借助了“人因技术”,通过虚拟现实环境来测试人们在不同地方的驻留时间,最终选择了兼顾多功能空间与观景体验的方案。

上海交通大学博士后团队研发的导盲六足机器人,具备视觉、力觉功能,可“看见”周边障碍、“感觉”地面接触和“主人”牵引等,通过导航定位规划路径,自主通过复杂地形到达目标。

风洞实验室利用科技手段,找到合适的方法,降低运动中空气阻力对成绩的影响。北京交通大学风洞实验室李波团队在运动员整套技术动作中选取风阻力影响大的关键分解动作,通过风洞测试确定身体各部位,如头、肩、躯干、手、腿以及身体与运动装备相对位置,在不影响运动自身技术特点的前提下,优化运动员的姿态,降低风阻的影响。

北京航空航天大学副教授柯鹏率领团队用航空技术助力冬奥备战。基于航空领域中的飞行力学、理论力学和运动生物力学等原理,团队对运动员的运动情况做个性化的分析和评估,最后针对专项运动给出一个科学的数学模型。

人因技术、生态修复 绿色冬奥的智慧方案

让“超人”运动员使用的场馆在赛后也能为大众所用;将首钢滑雪大跳台融入天际线,延续工业遗产记忆;花费6年的时间,完成延庆赛区214万平方米生态修复工作;利用风洞实验室相关技术保障冬奥延庆赛区工程建设的安全性和经济性……北京冬奥会一直秉持绿色办赛的理念,在场馆设计与建设、赛区生态保护等方面,离不开众多高校的科技助力。

……

北航交通科学与工程学院柯鹏团队“测冰神器”给出制冰答案

赛场上的“黑科技”始于人,又不止于人。为帮助冰场提高冰面质量,北京航空航天大学交通科学与工程学院副教授柯鹏带领团队研发了“测冰神器”。

“我国运动员水平非常高,冰面好不好他们感觉非常明显。”柯鹏回忆,在2021年3、4月份,他们冰场有一块区域谁都不愿意用,“明明并列排着的两块冰,为啥这个好,那个就不好呢?当时大家都很疑惑。”

于是,柯鹏团队研发了测试装置,从温度、厚度、硬度、摩擦系数等方面对冰面进行测试。其中一个装置就是一个小冰车,车下是冰刀,科学家将涵道风扇装到了冰车上,推动小车在冰上模拟运动员的压力条件、滑行速度和滑行过程,利用车上高精度的传感器,测试冰面的情况,从而获得具体的参数,从理论层面对制冰师提出要求。

柯鹏介绍,测冰车已经过多次优化和完善,在国内多个大型冰场实地应用。不仅能测试冰,还可以测试设备。“比如同一块冰我们可以测试不同的冰刀,同一把冰刀可以测试不同的冰。”

大数据应用也会引入其中,柯鹏透露,当测冰车获得的数据积累到一定程度,就可以不需要小冰车,借助数据库后期可通过相应指标参数,算出冰面情况。

……

精准时空技术还原赛道场景 “北斗”助力冬奥运动员更快更强

当专注航空航天事业的高校科研团队来研究运动员,会擦出怎样的火花?在竞速项目中,风阻是运动员的“敌人”,“驾驭风的人”如何帮助运动员们优化姿势,寻找最佳竞技路线?……当科学家参与到体育比赛训练中,会碰撞出哪些意想不到的惊喜?

北京航空航天大学 航天技术为运动员“开挂”

从2019年开始,北京航空航天大学交通科学与工程学院副教授柯鹏便带领着团队,充分借鉴航空工程的基础理论和技术方法,参与到了北京冬奥会赛事的科技助力之中。

三年过去,为运动队训练项目建模,用大数据分析运动员技巧,为运动装备和冰场提供最优参数……科学家们通过努力使设想变成了现实,走出了一条适合中国国情的体育科技创新之路。

将飞行力学知识等运用于冰雪项目中

2021年12月中旬的一个电话,便让柯鹏及团队人员立刻从北京航空航天大学赶到了位于西南五环开外的中车二七国家冰雪运动训练科研基地(简称“二七基地”),这是一条他这一年多来走过的、再熟悉不过的路线。

“为让运动员更高效、更有针对性地训练,需要有与学科相关的科技人员进入到传统的体育训练体系里,形成复合型科研训练团队,批量培养高水平运动员。”柯鹏介绍,运动员运动过程中,科学家可以通过传感器和影像资料有效地采集到运动路线、肌肉力量、技术动作以及雪板、冰刀滑行、滞空、触地瞬间等数据,进行实时解构,通过分析和评估这些数据,重新建构更准确的技术能力,探索进一步的改善空间,整体提升运动成绩。

此外,柯鹏带领的团队还可以基于航空领域中的飞行力学、理论力学和运动生物力学等原理,对运动员的运动情况做个性化的分析和评估,最后针对专项运动,给出一个科学的数学模型。“比如在滑行转弯时,提前减速还是不减速?大弯还是小弯?我们都可以给出优化方案。”

柯鹏团队提出了“体育、理工、医学交叉,人、设备、环境融合”的思路,以人为主,多维度帮助运动员优化运动技巧。比如高山滑雪项目,柯鹏调研和分析发现,运动员从高山往下滑的速度比较快,和飞机的飞行过程非常像,就想到将飞行力学的方法应用到运动路线的分析中。

“滑降项目是竞速类项目,比的就是谁的时间最短,不同路线,运动员局部受力不同,因此我们在评估中要结合装备、环境等所有能影响运动员的因素,改进他的滑行路线,同时还要兼顾运动医学,要在保证运动员最安全的情况下提升他的成绩。”柯鹏笑着说,“不能只比速度,不要命嘛。”

给出一个受力面积最小的姿态、构建一个最理想的转弯模型、提出最减少耗能的技术……就这样,一个项目一个项目地攻克,柯鹏团队从科学家的角度给运动队拿出了一个个可实用技术方案,供他们参考、训练。

航空航天中的模拟器应用到运动员实战中

除了建模之外,二七基地里的不少“大家伙”也靠科学家们的助力,例如,辅助运动员们训练的六自由度电动模拟体育训练系统。

柯鹏介绍, 研发出来的这些技巧和方法就必须应用于运动员的实战中去,雪上项目训练受制于天气,只有到雪地的时候才能用,国家体育总局就提出能否在非雪季也能够训练。六自由度模拟器就是当时提出来的一种新训练模式,可以模拟运动员实际转弯等的一些技术动作。而这和航空领域中、帮助飞行员了解飞机特性的模拟训练系统的原理是一模一样的。

六自由度模拟器由一家公司制作硬件,科学家们负责提供软件方面的数据,进行仿真建模。比如,爬坡是什么速度,转弯是什么角度,运行轨迹和身体姿态等,这些都需要柯鹏团队优化数据,提供给机器。同时,在通过机器训练时产生的一手数据也能被科学家获得,进一步分析建模,逐渐优化运动员的训练技巧和能力,形成了一个闭环。

据介绍,如今大规模的测试已经完成,六自由度模拟器填补了在训练中的一项技术空白。

体育竞技赛场上即使零点几秒的成绩,也能够影响最终的排名,而这毫厘之间写满了科学家们严谨的科学态度。柯鹏表示,经过这几年国内外大小赛事的考量,确实欣喜于运动员们的成绩,让团队觉得曾经的努力是值得的。

用涡扇发动机研发“涵道风扇”推进器

新京报记者在采访中发现,航空航天领域中的经验被运用在了方方面面。另一个值得一提的“训练神器”就是“涵道风扇”辅助推进器。

柯鹏介绍,这是一个mini的涡扇发动机,由航空模型飞机的涵道风扇改造而成,它长约15厘米、直径约7厘米,是轻巧的银色桶状设备,背在运动员的后背上,启动机器,风叶转动,它就像推动一辆航空器一样,推着踩着冰刀、或滑着轮滑的人向前走,这样可以在运动员竞速时,给他一个更高速的助推。

这不是给运动员“开挂”吗?柯鹏笑着解释说,这可不能用在比赛上,这是训练运动员的设备。比如运动员在高速滑行时,有时碍于各种原因,难以进一步提速,甚至有时在转弯时会下意识降速。那么助推器给了他一个被动的动力,让他体验超速的感觉,并在超速中完成力量、技巧上的控制,当他体验并习惯高速运动后,也能够自己创造更高的速度达成竞技目标,也会减少“刹车”。

但是在这项设备的研发中,团队也遇到了难题。柯鹏说,当时希望能出个运动员测试这个设备,需要全力滑行500米,再背上机器滑行五百米,比较一下数据。教练一听要让运动员连续滑两次500米,立刻就不同意了。

这时,科学家们才了解到,全力滑行对运动员的体能消耗是非常大的。比如过去的夏奥会上,苏炳添完成9秒83的成绩后,隔了两个多小时再跑第二个100米,就很难达到开始的成绩。因此,连续两个同样500米的滑行,是运动员无法高质量完成的任务。

在充分了解情况后,科学家和运动队提出了一个解决方案,这个测试分阶段完成。滑行500米在充分的休息后,再由运动员背着机器再次滑行。

测试下来,果然数据很好,柯鹏说,助推器让运动员速度至少提升了10%,不仅测试的运动员感到很兴奋,其他现场的运动员也表示要试一试。这个“神器”研发成功了。如今已经运用在了运动队的冰雪训练计划中。

从2019年至今,柯鹏团队让体育运动竞技看到了更多可能。但这背后也有艰辛,柯鹏笑着说,长期和冰雪作战,团队里每个成员基本上都被冻感冒过。但没有一个学生和老师叫苦,责任感让他们坚持至今。

他表示,即使在奥运会结束的未来,备战冬奥所留下的科学态度和精神财富都将继续在高校中传承。

编辑:贾爱平


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