探索訓(xùn)練“最優(yōu)解”,科技助力冬奧健兒創(chuàng)佳績(jī)
現(xiàn)代體育競(jìng)賽絕非一個(gè)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(yùn)健兒訓(xùn)練備戰(zhàn)之中時(shí)。隨著北京2022年冬奧會(huì)的腳步臨近,很多觀(guān)眾們會(huì)關(guān)注在比賽中,高山滑雪如何快速繞過(guò)旗門(mén);越野滑雪用什么姿態(tài)最省力;跳臺(tái)滑雪用哪種姿勢(shì)起跳最好;速度滑冰怎樣訓(xùn)練提高過(guò)彎道的技能?
“對(duì)冬季運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的影響包括人、機(jī)、環(huán)境等多種因素。我們現(xiàn)在做的就是在運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽中,針對(duì)影響其技術(shù)動(dòng)作發(fā)揮的關(guān)鍵因素,設(shè)計(jì)新型的訓(xùn)練裝置和運(yùn)動(dòng)器械,優(yōu)化運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作姿態(tài),從而提高他們的比賽成績(jī)?!?月13日,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院副院長(zhǎng)霍波教授在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪(fǎng)時(shí)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(zhuān)項(xiàng)“國(guó)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(xiàng)目,歷時(shí)三年,通過(guò)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(jìn)行冰雪運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究和研制相關(guān)運(yùn)動(dòng)裝備,建設(shè)冬季項(xiàng)目國(guó)家科學(xué)化訓(xùn)練基地。
霍波進(jìn)一步指出,在冬奧會(huì)項(xiàng)目中,高山滑雪的繞旗門(mén)回轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)推進(jìn)滑行技術(shù),以及跳臺(tái)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(dòng)作。而完成動(dòng)作時(shí)的姿勢(shì)涉及運(yùn)動(dòng)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(jìng)賽成績(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)員本身的要求頗高。
圍繞具體的研究目標(biāo),霍波帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)先進(jìn)的技術(shù),探索訓(xùn)練中解決問(wèn)題的“最優(yōu)解”——基于三維動(dòng)作捕捉和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬技術(shù)、生理傳感器技術(shù)、肌骨動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)等,研發(fā)“冬季項(xiàng)目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng)”,為運(yùn)動(dòng)員提供個(gè)性化、智能化訓(xùn)練方案,實(shí)時(shí)可以采集不同運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目下運(yùn)動(dòng)員的三維姿態(tài)參數(shù),以及該動(dòng)作下所產(chǎn)生的地面反作用力、空氣阻力等,形成該運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)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(chē)、雪橇等運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng),想要測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的滑行軌跡,就需要構(gòu)建真實(shí)的場(chǎng)景,采用冬季項(xiàng)目場(chǎng)景三維感知及重建技術(shù)。我們采用激光雷達(dá),在無(wú)人機(jī)從賽道上飛過(guò)時(shí),通過(guò)激光點(diǎn)精確記錄賽場(chǎng)的山形地貌的圖像,并測(cè)量賽場(chǎng)實(shí)地的情況,同時(shí)在運(yùn)動(dòng)員身上佩戴基于衛(wèi)星的定位跟蹤器,將其運(yùn)動(dòng)的位置顯示在賽道上。在測(cè)量、分析地面反力時(shí),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(guò)視頻采集運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù),以此來(lái)預(yù)測(cè)分析地面反力。”
為了不影響運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練,研究人員采用高速、分辨率較高的相機(jī)系統(tǒng),對(duì)運(yùn)動(dòng)員大范圍、遠(yuǎn)距離、快速移動(dòng)情況下的動(dòng)作進(jìn)行捕捉,然后利用基于深度學(xué)習(xí)的姿態(tài)識(shí)別技術(shù),得到每個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻的軌跡。
與此同時(shí),霍波團(tuán)隊(duì)建立了全人體的骨骼肌肉模型,針對(duì)特定運(yùn)動(dòng),關(guān)注關(guān)鍵肌肉群,通過(guò)人體動(dòng)力學(xué)分析,計(jì)算獲得骨骼受的力和肌肉受的力,由此,分析演算運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)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(jī)械耦合人體運(yùn)動(dòng)的情況,比如,受空氣阻力影響,跳臺(tái)滑雪運(yùn)動(dòng)員在飛行過(guò)程中雪板變形振動(dòng),會(huì)如何影響到其運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)和飛行距離。
當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在雪上“飛”時(shí),速度非??臁H绾慰紤]空氣阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)員姿態(tài)的影響?霍波說(shuō),比如跳臺(tái)滑雪的速度可達(dá)每秒30米,空氣阻力相當(dāng)大。我們從兩個(gè)方面研究:通過(guò)實(shí)驗(yàn),利用風(fēng)洞,施加風(fēng)速,測(cè)量運(yùn)動(dòng)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(kù),加到建立的人體運(yùn)動(dòng)模型中,就可得到人體所受到的空氣阻力,以及對(duì)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡的定量影響。
由此,通過(guò)冬季項(xiàng)目智能訓(xùn)練管理系統(tǒng),教練員與運(yùn)動(dòng)員得以更直觀(guān)、更科學(xué)的方式深入了解運(yùn)動(dòng)員全過(guò)程運(yùn)動(dòng)狀態(tài),對(duì)比每次生成的分析報(bào)告,持續(xù)調(diào)整運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)和發(fā)力方式等,助力運(yùn)動(dòng)員不斷提升訓(xùn)練成績(jī),力爭(zhēng)冬奧奪金。(華 凌)
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